OSS-BTEX Capteurs à base de composés organosiliciés pour la détection sélective de BTEX dans l'air intérieur

OSS-BTEX Organosilicon-based Sensors for the Selective detection of BTEX in indoor air

• Auteur / Autrice : Stéphane Boyer
• Direction : Stéphanie Roualdes, Sabine Devautour
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels

Mots clés

Mots clés libres

Qualité de l'air intérieur

Polymère organosilicié

Pecvd

Ellipsométrie

Capteur QCM/IDE

Btex

Indoor air quality

Organosilicon polymer

Pecvd

Ellipsometry

QCM/IDE sensor

Btex

Résumé

La persistance des BTEX (benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes) dans l'air intérieur, leur fort impact sur la santé humaine (même à très faible concentration) et la législation européenne exigent une surveillance précise et fiable de la Qualité de l'Air Intérieur vis-à-vis de la contamination par les BTEX. D'où la nécessité de développer des capteurs en ligne et miniaturisés avec de bonnes sensibilité et sélectivité et une consommation de réactifs minimale. Dans ce contexte, les technologies basées sur la microbalance à cristal de quartz (QCM) et l'électrode interdigitée (IDE) apparaissent prometteuses, mais des progrès sur l'optimisation de la couche sensible, c'est-à-dire le film de sorbant actif déposé sur le transducteur QCM/IDE, sont encore nécessaires. Concevoir une couche absorbante qui combine une haute sensibilité aux traces de BTEX (ppb-ppm) et une haute sélectivité vis-à-vis des co-contaminants de l'air intérieur (autres COV, humidité…) reste donc un enjeu majeur. Le projet OSS-BTEX vise à relever ce défi en ciblant comme adsorbant une série de polymères plasma organosiliciés hydrophobes préparés par Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), qui ont déjà démontré une excellente sensibilité vis-à-vis du toluène dans une thèse récemment soutenue à l'IEM. Dans ce projet, nous proposons d'optimiser l'affinité des polymères plasma pour les BTEX et de manière sélective par rapport aux co-contaminants en faisant varier leurs caractéristiques texturales/structurales/chimiques qui peuvent être contrôlées par les conditions de dépôt PECVD. Les relations entre les caractéristiques physico-chimiques, les propriétés de sorption et les performances des capteurs de ces sorbants polymères (déposés sur supports QCM et IDE pour analyses en cycles de sorption/désorption et cyclages ON/OFF à l'IEM et l'ICGM) seront établies plus avant afin d'identifier les meilleurs candidats pour la détection de chaque molécule BTEX à l'état de trace. Parmi les molécules BTEX, le toluène, l'éthylbenzène et le xylène seront considérés, le benzène étant exclu pour des raisons de sécurité, tandis que l'eau et l'éthanol seront sélectionnés comme co-contaminants représentatifs, en raison de leur abondance dans l'air intérieur.

The persistence of BTEX (Benzene, Toluene, Ethylbenzene and Xylenes) in indoor environment, their main concern to human health, even at very low concentration, and the EU's legislation requires Indoor Air Quality monitoring with respect to BTEX contamination. This calls for the development of online and miniaturized analyzers with high sensitivity, accuracy and minimum reagents consumption. In this context, quartz crystal microbalance (QCM) and interdigitated electrode (IDE) based technologies demonstrated great promises, however many efforts on the optimization of the sensitive layer, i.e. the active sorbent film coated on the QCM/IDE transducer, are still needed. Therefore, designing a sorbent layer which combines high sensitivity towards BTEX traces (ppb-ppm) and high selectivity with respect to indoor air co-contaminants (other VOCs, humidity ) remains a key challenge. The OSS-BTEX project aims to address this challenge by considering a series of hydrophobic organosilicon plasma polymers prepared by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), which have already demonstrated excellent sensitivity towards toluene in a recent PhD at IEM. We propose to optimize the affinity of organosilicon polymers towards each individual BTEX molecule with respect to co-contaminants by systematically varying their textural/structural/chemical features that can be controlled by the PECVD deposition conditions. The relationships between the physico-chemical features, sorption properties and sensor performances of these polymeric sorbents (deposited on QCM and IDE supports and analyzed by sorption/desorption and ON/OFF cycles at IEM and ICGM) will be further established to identify the best candidates for the detection of each individual BTEX molecule. Among the BTEX molecules, toluene, ethylbenzene and xylene will be considered, the benzene being excluded for security reason, while water and ethanol will be selected as representative co-contaminants, due to their abundance in indoor air.