Développements théoriques de nouveaux dispositifs de détection de gaz

Theoretical developments of new gas detection devices

• Auteur / Autrice : Mohamed Bensifia
• Direction : Céline Destandau-Léonard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 14/06/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi-Échelle - Laboratoire de Modélisation et Simulation Multi-Échelle
• Jury : Président / Présidente : Marius Lewerenz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Destandau-Léonard, Alexis Markovits, Philippe Carbonnière, Florent Barbault, Fatima Zahra Bouanis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Markovits, Philippe Carbonnière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes

Détecteurs de gaz

Graphène

Gaz -- Composition chimique

Mots clés libres

Molécules de gaz polluants

Projet CAPTEUR

Détection selective

Graphène

Nanotubes de carbone

Dft

Selective detection

Project CAPTEUR

Graphene

Molecules of polluting gases

Carbon nanotubes

Dft

Résumé

Développements théoriques de dispositifs de détection de ga zPar Mohamed BENSIFIA. Ce travail est mené dans le cadre du projet impulsion Isite FUTURE “CAPTEUR”, qui vise à développer expérimentalement et théoriquement une nouvelle génération de capteur de gaz fiables et sélectifs à base de n anotubes de carbone (NTCs) et de graphène fonctionnalisés de façon non-covalente. Les NTCs et le graphène présentent des caractéristiques excellentes pour la détection des gaz. La modélisation théorique d'un tel dispositif implique une description précise de l'interaction des molécules avec la surface du matériau (NTC, graphène) , des structures électroniques, des transferts de charge et donc des dopages du matériau après fonctionnalisation et après capture du gaz. Deux codes de calcul basés sur la DFT sont employés : CRYSTAL et GAUSSIAN. Dans un premier temps, la fonctionnalisation a été testée pour la molécule d’imidazole qui a l’avantage d’avoir une taille limitée mais pouvant présenter une interaction de type π-stacking avec les nanomatériaux carbonés. De plus, la molécule d’imidazole a une interaction forte avec le CO2. Donc, les systèmes NTC-imidazole et graphène-imidazole ont été choisis comme de prototypes simples de capteurs du CO2. L 'effet de l'imidazole comme molécule fonctionnalisante aidant à la détection du CO2 a été analysé. Cette première étude a permis de mettre en place la méthodologie théorique qui sera suivie dans le reste de ce travail de thèse.Expérimentalement, le graphène et des NTCs semi-conducteurs ont été greffés de façon non-covalente par une série de porphyrines et de phtalocyanines métalliques par nos collaborateurs (F. Bouanis). Des méthodes de caractérisation ont été employées pour obtenir des informations chimiques, structurelles et morphologiques précises sur ces systèmes qui doivent être performants pour détecter les gaz CO et NO. Des calculs DFT ont été entrepris pour reproduire les tendances expérimentales observées pour la fonctionnalisation du NTC(8,0) semi-conducteur et du graphène par ces macrocycles, puis pour la fixation de CO et NO par ces dispositifs. Enfin, la fonctionnalisation d’un autre type de nanomatériau, MoS 2, par une porphyrine de cobalt (II) est également en cours d’étude

Theoretical developments of gas detection devices by Mohamed BENSIFIA. This work is carried out as part of the impulsion Isite FUTURE project “CAPTEUR”, which aims to develop experimentally and theoretically a new generation of reliable and selective gas sensors based on functionalized carbon nanotubes (CNTs) and grahene non-covalently. CNTs and graphene have excellent characteristics for gas detection. The theoretical modeling of such a device involves a precise description of the interaction of the molecules with the surface of the material (CNT, graphene), of the electronic structures, of the charge transfers and therefore of the dopings of the material after functionalization and after gas capture. Two calculation codes based on the DFT are used: CRYSTAL and GAUSSIAN. First, the functionalization was tested for the imidazole molecule which has the advantage of having a limited size but which can present a π-stacking type interaction with carbon nanomaterials. Moreover, the imidazole molecule has a strong interaction with CO2. Therefore, the CNT-imidazole and graphene-imidazole systems were chosen as simple prototypes of CO2 sensors. The effect of imidazole as a functionalizing molecule helping in the detection of CO2 was analyzed. This first study made it possible to set up the theoretical methodology that will be followed in the continuation of this thesis work.Experimentally, graphene and semi-conductor CNTs have been non-covalently grafted by a series of metallic porphyrins and phthalocyanines by our collaborators (F. Bouanis). Characterization methods have been employed to obtain precise chemical, structural and morphological information on these systems which must be efficient in detecting CO and NO gases. DFT calculations were undertaken to reproduce the experimental trends observed for the functionalization of CNT(8,0) semiconductor and graphene by these macrocycles, then for the fixation of CO and NO by these devices. Finally, the functionalization of another type of nanomaterial, MoS2, by a cobalt (II) porphyrin is also under study