Soutenance mémoire
Dans le cadre général de la protection de l’environnement, le développement de nouveaux concepts de détection de gaz polluants est l’une des solutions envisagées pour prévenir des risques encourus par les populations. Dans cette optique, il est aussi possible d’améliorer les systèmes de détection existants en introduisant de nouveaux matériaux au sein de technologies industrielles déjà existantes. C’est la raison pour laquelle la science des « capteurs » a pris ces dernières années un essor exceptionnel, au niveau de la recherche fondamentale mais aussi technologique. Les technologies « capteurs et microcapteurs » doivent aujourd’hui répondre à des demandes croissantes dans le domaine de la miniaturisation des dispositifs, ce qui induit une recherche accentuée vers les matériaux nanostructurés, et leurs assemblages dans des systèmes miniaturisés.
L’objectif de ce travail est la mise en œuvre de nouveaux systèmes de matériaux susceptibles d’interagir de manière sélective avec certains gaz, toxiques ou non, et d’être à terme insérés dans des dispositifs de capteurs et multicapteurs miniaturisés de gaz. De nombreux systèmes de matériaux sensibles, permettant de détecter des gaz de type CH4, CO, NOx, SOx existent déjà et le principe de détection repose sur plusieurs effets : réaction catalytique ou variation de conduction [1, 2]. Nous nous intéressons ici aux systèmes couplés de matériaux catalytiques et de matériaux piézoélectriques : les premiers subissent l’action catalytique (chimique), les seconds répondent aux sollicitations de surface par des variations de fréquences de résonance. Mais pour coupler ces matériaux catalytiques et piézoélectriques, il est nécessaire de résoudre divers problèmes : réaliser des couches minces compatibles entre elles sur un plan structural et de cohésion, associer des matériaux résistant aux hautes températures pour que les effets catalytiques soient optimaux à haute température, tout en préservant la propriété piézoélectrique. En d’autres termes, la température de Curie de la phase piézoélectrique doit être largement supérieure à la température de catalyse optimale du matériau catalytique.
Deux types de matériaux catalytiques ont ainsi été étudiés :
– Le dioxyde de cérium CeO2, réactif à CH4 et CO [3,4].
– Le cérate de baryum BaCeO3, réactif en présence d’éthylène et de CO2 [5,6].
Une autre approche a été abordée à partir de l’oxyde de lanthane, catalyseur connu pour sa capacité de convertir le méthane en CO et H2 : les phases hydratées ou carbonatées issues de l’oxyde de lanthane La2O3 pourraient être utilisées pour la détection de mélanges CH4, CO2, H2O, au travers notamment d’un pilotage de la température d’usage du capteur.
Parmi les matériaux piézoélectriques capables de garder leur piézoélectricité à des températures élevées (supérieures à 600°C), la langasite La3Ga5SiO14 (LGS) est apparue comme étant une phase très intéressante pour être utilisée dans des systèmes couplés à haute température. Cet oxyde garde ses propriétés piézoélectriques pratiquement jusqu’à son point de fusion (1470°C), et des utilisations industrielles existent déjà : filtres dans le domaine de télécommunication, capteurs à ondes acoustiques, microbalances [7,8].
La pollution atmosphérique est définie comme étant un état contenant des gaz, des molécules ou odeurs offensives, et des particules nuisibles aux humains, aux animaux, à la végétation. Plus généralement, la pollution est un état laissant l’environnement loin des limites de régulation standards [1]. La pollution atmosphérique devient de plus en plus un problème sérieux et particulièrement depuis la révolution industrielle et technologique. En outre, la croissance spectaculaire de la population et le développement industriel sont souvent accompagnés d’un usage intensifié des matériaux dégageant des gaz nocifs, ce qui conduit à la pollution et par la suite à la détérioration de l’environnement atmosphérique naturel [2, 3]. Actuellement avec la croissance de la conscience du public intéressé à la santé environnementale, la demande de la surveillance et du contrôle de l’environnement atmosphérique est devenue une nécessité indéniable. Des recherches intenses ont ainsi été conduites dans plusieurs domaines, afin de résoudre ces problèmes. Les sources d’émission de pollution peuvent être classées en deux catégories selon l’état de la source. Ainsi, elles se distinguent en sources stationnaires ou mobiles. Les premières résident dans les habitats, les stations thermiques, les raffineries, les usines chimiques ou énergétiques…Les sources mobiles sont représentées en général par les moyens de transport [4].
Aujourd’hui les principaux gaz polluants faisant l’objet d’une attention marquée en termes de santé et d’environnement sont les suivants :
➤ Les oxydes d’azote (NO et NO2) : aussi bien pour leur action directe sur l’organisme que pour leur contribution en réaction avec les composés organiques volatils à la production d’ozone troposphérique ;
➤ L’ozone, polluant secondaire, par son action oxydante dans les voies respiratoires;
➤ Les oxydes de carbone (CO et CO2) : en plus de leurs effets néfastes sur la santé des êtres vivants, ces deux polluants entraînent un échauffement de l’atmosphère ;
➤ Les hydrocarbures (CxHy) pour leurs effets génotoxiques ; le méthane est un exemple de cette famille, en plus de son caractère combustible, il est nuisible à la santé des êtres vivants même avec des concentrations faibles [5, 6].
➤ Le dioxyde de souffre SO2, un des polluants majeurs de l’atmosphère produisant des nuisances écologiques et sanitaires [7, 8].
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Table des matières
Introduction
I. Généralités.
1. La pollution atmosphérique
2. Les principaux gaz polluants
3. Les différents types de capteurs
4. Les comportements originaires des nanomatériaux
5. Evolution du paramètre de maille avec la taille des grains
6. L’effet de la taille sur l’activité catalytique
II. L’oxyde de cérium CeO2
1. Propriétés structurales, physiques et chimiques de la cérine pure et dopée
2. Le comportement non stœchiométrique du CeO2
3. Le CeO2, composant fondamental de la (TWC)
4. Autres applications potentielles de la cérine
5. Méthodes d’élaboration de la cérine nanométrique
III. Le cérate de Baryum BaCeO3
1. Introduction
2. Propriétés structurales
3. Propriétés du BaCeO3
4. Généralités sur la conduction protonique
5. Mécanisme de la conduction protonique dans les composés à base du BaCeO3
6. Domaines d’applications des matériaux à base du BaCeO3
7. Elaboration du BaCeO3
IV. La Langasite La3Ga5SiO14
1. Introduction
2. Le choix du matériau
3. Propriétés de la langasite
4. Domaines d’applications de la langasite
5. Elaboration et diagramme de phase de la langasite
Conclusion
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