Élaboration de films minces de silice pour des applications en chimie analytique

Preparation of Silica Thin Films for Analytical Chemistry Applications

• Auteur / Autrice : Deomila Basnig
• Direction : Neus Vilà, Grégoire Herzog
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 29/03/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie Physique et Microbiologie pour les Matériaux et l’Environnement (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Gisèle Finqueneisel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Neus Vilà, Gonzalo Guirado, Pedro De Oliveira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gonzalo Guirado, Pedro De Oliveira

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie analytique

Microcanaux

Nanofiltration

Matériaux poreux

Couches minces

Silice

Mots clés libres

Films de silice

Silice mésoporeuse

Taille des pores

Sonde redox cationique

Nanocanal de silice

Silica films

Mesoporous silica

Pore size

Cationic redox probe

Silica nanochannel

Résumé

Un film orienté à base de silice mésoporeuse sur une électrode FTO a été préparé par une approche d'auto-assemblage assistée par électrochimie (EASA). Un potentiel de -1,5 V a été appliqué à l'électrode FTO contenant un précurseur de silice préhydrolysée (par exemple, l'orthosilicate de tétraéthyle), en présence d'un modèle (par exemple, le bromure de cétrimonium) et d'un électrolyte. Cette approche permet de générer des nanocanaux de silice alignés verticalement avec des tailles de pores ajustables entre 2 et 3 nm, selon le modèle. Ce travail a montré le comportement voltammétrique et la sélectivité du film de silice mésoporeuse vis-à-vis de divers cations chargés positivement de nature, de taille et de charge différentes. Les résultats ont montré une accumulation et une sélectivité favorisant l'ion le moins chargé positivement : MB⁺ > PQ²⁺ > DQ²⁺ > Ru(bpy)₃²⁺ > Ru(NH₃)₆³⁺. L'augmentation des signaux voltamétriques par rapport à l'électrode FTO nue dépendait fortement du type de sonde. L'accumulation des différentes sondes redox est attribuée à l'orientation verticale du nanocanal qui favorise le transport rapide et la diffusion à la surface de l'électrode. Une caractérisation électrochimique plus poussée a montré une interaction entre le processus contrôlé par la surface et le processus contrôlé par la diffusion, où les espèces adsorbées sont plus importantes dans les milieux dilués. Les résultats ont montré que la modification de la longueur debye et du rayon électrocinétique du nanocanal de silice en raison de la force ionique ou du diamètre du nanocanal affecte également le transport et la détection électrochimique de l'analyte paraquat. Les films de silice mésoporeuse ayant des tailles de pores différentes, préparés en utilisant différents bromure d'alkylammonium comme modèle, donnent des sensibilités différentes, qui pourraient être dues à la différence de charge électrochimique de la surface de la silice, ainsi qu'à la distribution des ions dans le nanocanal. Enfin, une tentative de modification de la surface de la paroi de silice en utilisant de la zircone a également été faite pour étudier le transport des cations, ce qui pourrait ouvrir la voie à une meilleure stabilité du film mésoporeux.

Oriented mesoporous silica-based film on FTO electrode was prepared via electrochemically-assisted self-assembly approach (EASA). A potential of -1.5V was applied to the FTO electrode containing a prehydrolyzed silica precursor, (e.g. tetraethyl orthosilicate), in the presence of a template (e.g. cetrimonium bromide) and electrolyte. This approach could generate vertically-aligned silica nanochannels with pore sizes adjustable between 2 and 3 nm, depending on the template. This work showed the voltammetric behavior and the selectivity of the mesoporous silica film towards various positively-charged cations of different nature, size, and charge. Results showed an accumulation and selectivity favoring the least positive charged ion: MB⁺ > PQ²⁺ > DQ²⁺ > Ru(bpy)₃²⁺ > Ru(NH₃)₆³⁺. The enhancement of the voltammetric signals relative to the bare FTO electrode was strongly dependent on the probe type. The accumulation of the different redox probe is attributed to the due to the vertical orientation of the nanochannel favoring fast transport and diffusion unto the electrode surface. Further electrochemical characterization showed an interplay of the suface-controlled and diffusion-controlled process, wherein adsorbed species is more prominent in diluted media. Results showed that changing the debye length and electrokinetic radius of the silica nanochannel due to the ionic strength or nanochannel diameter also affects the transport and electrochemical detection of the paraquat analyte. Mesoporous silica films having different pore size, prepared using different alkyl ammonium bromide as template, yield different sensitivities, which could be due to the difference in electrochemical charge of the silica surface, as well as the distribution of ions in the nanochannel. Finally, an attempt to modify the surface of silica wall using zirconia was also made to study the transport of cations, which could pave a way for an improved stability of the mesoporous film.