Graphène fonctionnalisé pour des applications de capteurs de gaz et de réduction catalytique de polluants dans les eaux - Labex MMCD - Modélisation & Expérimentation pour la Construction Durable
Thèse Année : 2023

Functionalized graphene for gas sensing applications and catalytic reduction of water pollutants

Graphène fonctionnalisé pour des applications de capteurs de gaz et de réduction catalytique de polluants dans les eaux

Résumé

Environmental monitoring is a major societal concern for public safety, environmental preservation and public health. There is growing interest in chemical sensors and catalysts to ensure air and water quality. For example, chemical sensors, particularly those designed to detect gases, play an essential role in monitoring air quality, while catalysts accelerate the reduction of pollutants in water. Among the promising materials for these applications, graphene stands out for its high electrical conductivity, large specific surface area, low electrical noise and ability to transport electrons. Graphene has been identified as a better platform for chemical detection of different gases, with enhanced sensitivity. As a result, graphene has become a preferred material for the development of low-cost, room-temperature gas sensors and heterogeneous catalysts aimed at improving pollutant reduction. In this context, the aim of this thesis is to develop an ultrasensitive and selective gas sensor based on functionalized graphene for the detection of nitrogen dioxide (NO2). Graphene was prepared using two approaches: i) graphene (mono- and multilayer) synthesized by low-pressure chemical vapor deposition and ii) graphene (multilayer) prepared by liquid-phase chemical exfoliation. The graphene layers thus obtained were used to develop resistive gas sensors on porous paper. To improve the sensitivity, selectivity, response and recovery times of these sensors, the graphene surface was non-covalently functionalized with porphyrins (Co/Fe-porphyrin) and phthalocyanines (Fe-phthalocyanine). Graphene-based gas sensors on paper exhibit high sensitivity (in the order of a few ppb (parts per billion)) to NO2. Non-covalent functionalization of the graphene increases sensitivity, selectivity, response and reset times. These sensors are repeatable, stable, reproducible, flexible and compatible with large-scale manufacturing. In parallel with this study, we developed 'graphene-polyethyleneimine-metal nanoparticle' heterostructures, which were used as heterogeneous catalysts for the reduction of various organic pollutants. These 'graphene-polyethyleneimine-metal nanoparticles' heterostructures revealed exceptional catalytic activity for the complete reduction of various hazardous organic micropollutants. These included 4-nitrophenol, rhodamine B, nitropyrene, nitrofen and dinitrotoluene. These reactions were carried out in the presence of excess sodium borohydride, and were completed in just a few minutes.
La surveillance de l’environnement est une préoccupation sociétale majeure pour la sécurité publique, la préservation de l'environnement et la santé publique. Les capteurs chimiques et les catalyseurs suscitent un intérêt croissant en vue d'assurer la qualité de l'air et de l'eau. Par exemple, les capteurs chimiques, en particulier ceux conçus pour détecter les gaz, jouent un rôle essentiel dans le suivi de la qualité de l'air, tandis que les catalyseurs accélèrent la réduction des polluants dans les eaux. Parmi les matériaux prometteurs pour ces applications, le graphène se distingue par sa conductivité électrique élevée, sa grande surface spécifique, son faible bruit électrique et sa capacité à transporter des électrons. Le graphène a été identifié comme une meilleure plateforme pour la détection chimique à différents gaz avec une meilleure sensibilité. Par conséquent, le graphène est devenu un matériau privilégié pour le développement des capteurs de gaz de faible coût et fonctionnant à température ambiante et de catalyseurs hétérogènes visant à améliorer la réduction des polluants. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de développer un capteur de gaz ultrasensible et sélectif à base du graphène fonctionnalisé pour la détection du dioxyde d'azote (NO2). Le graphène a été préparé selon deux approches : i) graphène (mono- et multi-couches) synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur et à basse pression et ii) graphène (multi-couches) préparé par exfoliation chimique en phase liquide. Les couches de graphène ainsi obtenues ont été utilisées pour la fabrication des capteurs de gaz résistif sur papier poreux. Afin d’améliorer la sensibilité, la sélectivité et le temps de réponse et de remise à zéro de ces capteurs, la surface du graphène a été fonctionnalisé de manière non-covalente avec des porphyrines (Co/Fe-porphyrine) et des phtalocyanines (Fe-phtalocyanine). Les capteurs de gaz à base du graphène sur papier, présentent une sensibilité élevée (de l’ordre de quelques ppb (parties par milliard)) à NO2. La fonctionnalisation non-covalente du graphène augmente la sensibilité, la sélectivité, le temps de réponse et de remise à zéro. Ces capteurs sont répétables, stables, reproductibles, flexibles et compatible avec une fabrication à grande échelle. Parallèlement à cette étude, nous avons développé des hétérostructures à base de 'graphène-polyéthylèneimine-nanoparticules métalliques', lesquelles ont été utilisées comme catalyseurs hétérogènes pour la réduction de divers polluants organiques. Ces hétérostructures 'graphène-polyéthylèneimine-nanoparticules métalliques' ont révélé une activité catalytique exceptionnelle pour la réduction complète de divers micropolluants organiques dangereux. Parmi ces micropolluants, citons le 4-nitrophénol, la rhodamine B, le nitropyrène, le nitrofen et le dinitrotoluène. Ces réactions ont été réalisées en présence d'un excès de borohydrure de sodium, et elles ont été achevées en seulement quelques minutes.
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Dates et versions

tel-04526590 , version 1 (29-03-2024)
tel-04526590 , version 2 (25-06-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04526590 , version 1

Citer

Mbaye Dieng. Graphène fonctionnalisé pour des applications de capteurs de gaz et de réduction catalytique de polluants dans les eaux. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Gustave Eiffeil, 2023. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04526590v1⟩

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