Capteur de gaz SnO2 fonctionnalisé fonctionnant à température ambiante, sensible et sélectif pour la détection d’ammoniac

Sensitive and selective ammonia gas sensor based on molecularly functionalized tin dioxide working at room temperature

• Auteur / Autrice : Mohamad Hijazi
• Direction : Jean-Paul Viricelle, Valérie Stambouli-Sené
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie des procedes
• Date : Soutenance le 20/10/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : CNRS : LMPG UMR CNRS 5628
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels / SPIN-ENSMSE - Département Procédés de Transformations des Solides et Instrumentation
• Jury : Président / Présidente : Philippe Ménini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Viricelle, Valérie Stambouli-Sené, Philippe Ménini, Carole Chaix, Corrado Di Natale, Mathilde Rieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Chaix, Corrado Di Natale
• DOI : 10.70675/1945d34czc1cfz4898z8c7az0617ea144b64

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde d'étain

Détecteurs de gaz

Diagnostic clinique

Ammoniac

Mots clés libres

SnO2

Sérigraphie

Fonctionnalisation moléculaire

APTES

Acide

Ester

Ammoniac

Sélectivité

Détection à température ambiante

Analyse d'haleine

SnO2

Screen printing

Molecular functionalization

APTES

Acid

Ester

Ammonia

Selectivity

Room temperature detection

Exhaled breath analysis

Résumé

Dans le domaine de la santé, l’analyse de l'haleine expirée offre un outil simple et non invasif pour le diagnostic précoce des maladies. Les capteurs de gaz à base de SnO2 modifies semblent être des dispositifs prometteurs pour détecter les gaz polaires tels que l'ammoniac. Dans cette étude, la fonctionnalisation de la surface de SnO2 a été réalisée afin d'obtenir un capteur de gaz sensible et sélectif à l'ammoniac, qui fonctionne à température ambiante. La première étape de la fonctionnalisation est la fixation covalente d’un film de 3-aminopropyltrethoxysalane (APTES) sur SnO2 en phase vapeur ou liquide. Les caractérisations effectuées par Spectroscopie Infrarouge et Spectrométrie photoélectronique X montrent qu’une quantité plus importante d'APTES a été greffée en phase liquide hydratée. La deuxième étape consiste à fonctionnaliser le SnO2-APTES avec des molécules contenant du chlorure d'acyle avec différents groupes tel que des groupes alkyle, acide et ester. Les capteurs modifiés par des acides et des esters sont sensibles à l’ammoniac entre 0,2 et 10 ppm à température ambiante. Cependant, le SnO2 APTES modifié par l’ester s'est révélé être plus sélectif que le capteur modifié par l'acide pour l’ethanol et le mondxyde de carbone. Ces résultats impliquent que la réponse est générée par les groupes fonctionnels acide et ester, NH3 modifie le moment dipolaire de la couche moléculaire greffée, ce qui entraine une modification de la conductance de SnO2. Le fonctionnement à température ambiante est l'un des avantages de ces capteurs, tout comme leur sélectivité à l'ammoniac en regard d'autres gaz tels que l'éthanol, le monoxyde de carbone et l'acétone.

One of the major challenges in the modern era is how we can detect the disease when we are still feeling healthy via noninvasive methods. Exhaled breath analysis is offering a simple and noninvasive tool for early diagnosis of diseases. Molecularly modified SnO2 sensors seem to be promising devices for sensing polar gases such as ammonia. SnO2 surface functionalization was performed in order to obtain sensitive and selective ammonia gas sensor that operates at room temperature. The first step of functionalization is the covalently attachment of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) film on SnO2 in vapor or liquid phases. The characterization performed by the Infrared Spectroscopy and X-ray Photoelectron Spectroscopy, show that more APTES were grafted by hydrous liquid phase silanization. The second step was the functionalization of APTES modified SnO2 with molecules having acyl chloride of end functional groups molecules such as alkyl, acid and ester groups. Pure SnO2 and APTES modified SnO2 sensors did not show any significant sensitivity to ammonia (0.2-100 ppm) at 25 °C. On the contrary, acid and ester modified sensors are sensitive to ammonia between 0.2 and 10 ppm at room temperature. However, ester modified SnO2 was more selective than acid modified sensor regarding the ethanol and carbon monoxide gases. Ammonia variates the attached molecular layer’s dipole moment which leads to change in SnO2 conductance. Working at ambient temperature is also one of the advantages of these sensors in addition to the selectivity to ammonia regarding other gases such as ethanol, carbon monoxide and acetone.