Développement de capteurs conductimétriques pour le suivi de l'ammoniac en atmosphère humide

Development of conductometric sensors for ammonia sensing in wet atmosphere

• Auteur / Autrice : Pierre Gaudillat
• Direction : Marcel Bouvet, Jean-Moïse Suisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 25/09/2014
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne (ICMUB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Boris Lakard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Mercenne, Jérôme Brunet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Toupance, François Tournilhac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Air -- Qualité

Humidité

Ammoniac

Mesures électriques

Phtalocyanine de cuivre

Solides moléculaires

Mots clés libres

Matériaux moléculaires

Phtalocyanine

Dispositifs

Résistor

Hétérojonction

MSDI

Mesures électriques

Capteur de gaz

Ammoniac

Humidité

Qualité de l’air

Molecular materials

Phthalocyanine

Devices

Resistor

Heterojunction

MSDI

Electrical measurement

Gas sensors

Ammonia

Humidity

Air quality monitoring

Résumé

L’objectif de cette étude était d’obtenir un capteur à bas coût, fonctionnant à température ambiante, et permettant d’obtenir une information sur la concentration d’ammoniac d’une atmosphère, sans tenir compte de l’humidité. Cela implique une très faible sensibilité à l’humidité et une faible synergie entre l’eau et l’ammoniac.Au terme d’une étude sur la mise en forme de films hybrides hydrophiles, par un procédé « propre » dans l’eau, un capteur a été développé, par un assemblage en couche par couche de polyélectrolytes hydrophiles, la polyaniline et la phtalocyanine tétrasulfonée de cuivre : PANI/TsPcCu. Ce capteur présente une limite de détection d’ammoniac inférieure au ppm et une très faible sensibilité à l’eau, permettant de détecter l’ammoniac sans informations sur l’humidité de l’air.De nouveaux dispositifs, basés sur un mode de transduction breveté, ont été étudiés : les heterojonctions MSDIs (Molecular Semiconductor-Doped Insulator). Ces dispositifs sont formés de deux couches superposées, une sous-couche isolante de type n, F16PcCu ou le PTCDA, et une couche supérieure semi-conductrice de type p, Pc2Lu. L’importance de la jonction entre les deux matériaux, mais aussi de la jonction entre les électrodes et la sous-couche, a été démontrée à l’aide de mesures d’impédances. Les propriétés capteurs des dispositifs MSDI ont été étudiées par exposition à l’ammoniac sur une large gamme d’humidité. Ils présentent une très faible sensibilité à l’eau et permettent de détecter des concentrations d’ammoniac inférieures au ppm. Suite au développement d’un banc de mesures spécifique permettant l’affinage de fromages, celui-ci a pu être suivi par des mesures capteur avec un résistor de PcCo et par GC-MS. Ces mesures ont mis en évidence l’intérêt de tels capteurs pour suivre l’évolution de la maturation des fromages.

The aim of this study was to obtain a low cost sensor, working at room temperature, capable to obtain an information about the ammonia concentration without any information about the humidity. These characteristics imply a very low sensitivity to humidity and a low cross sensitivity between humidity and ammonia.After a study on material processing of hydrophilic films using water as solvent, a sensors has been developed by using layer by layer assembly of polyelectrolytes, such as polyaniline and the tetrasulfonated copper phthalocyanine: PANI/TsCuPc. This sensor is able to detect sub ppm ammonia concentration, with a very low cross sensitivity between ammonia and water which allow ammonia sensing without any information about the humidity.New devices based on a patented transduction method were studied: the MSDIs heterojunctions (Molecular Semiconductor-Doped Insulator). This kind of device is prepared with two different layers, a sub layer of an n-type insulator, F16CuPc or PTCDA, and an upper layer of a p-type semiconductor, LuPc2. The importance of the junction between both materials and between the sub layer and the electrodes were studied by using ammonia exposure on a large humidity range. They exhibit a very low sensitivity to humidity and allow sub ppm ammonia sensing whatever the humidity is.A specific workbench has been developed and tested in the laboratory, to follow cheese ripening by using CoPc gas sensors and gas chromatography. These measurements showed readiness to the use of the kind of gas sensors for the follow up of dairy products.