Dans le domaine des capteurs chimiques et biologiques, les besoins toujours croissants en termes de sensibilité, de rapidité et de sélectivité de l’analyse nécessitent le développement de couches sensibles transductrices de plus en plus performantes. Dans ce contexte et dans l’optique de pouvoir détecter de petites molécules non électroactives, telles que l’atrazine (ATZ), nous avons conçu, caractérisé et développé des couches sensibles constituées de polymères conducteurs fonctionnalisés à empreintes moléculaires (MICP) et les avons intégrées au sein de capteurs électrochimiques et gravimétriques. A partir de solutions d’acétonitrile contenant de l’ATZ, molécule empreinte en interaction avec des monomères fonctionnels dérivés du thiophène (FM = TMA, TAA, EDOT, TMeOH ou Th), différents polythiophènes FM-MICP de structures et de fonctionnalités différentes ont été électrosynthétisés sur substrats d’or et utilisés pour la détection de l’ATZ. Nous avons montré que les propriétés de reconnaissance des FM-MICP résultaient de la présence en leur sein d’empreintes moléculaires, fonctionnalisées par les résidus FM, qui conservaient la mémoire géométrique et fonctionnelle des molécules cibles. Néanmoins, une adsorption non-spécifique se produit systématiquement à la surface des couches sensibles et affecte par conséquent la sélectivité de la reconnaissance. Les techniques de caractérisation de surface employées nous ont permis de mettre en évidence l’influence de l’épaisseur et des propriétés structurales des couches sensibles sur l’efficacité de la détection. En outre, nous avons montré que du fait de la porosité de la couche polymère, le processus de reconnaissance se produisait en volume. Par ailleurs, des mesures électrochimiques corrélées à des calculs semi-empiriques ont permis de démontrer l’influence de la nature de FM d’abord sur la force de l’interaction ATZ-FM au sein de la solution de pré-polymérisation, ensuite sur le nombre d’empreintes moléculaires et enfin sur la sensibilité des FM-MICP vis-à-vis de l’ATZ. La couche TAA-MICP, qui présente un faible seuil de détection (10-9 mol L-1) ainsi qu’une large gamme dynamique (10-8 à 10-4 mol L-1), est la plus performante des couches sensibles puisqu’elle offre le meilleur compromis entre une détection spécifique de l’ATZ relativement élevée et une adsorption non-spécifique relativement faible. Enfin, le TAA-MICP a été utilisé comme couche sensible au sein d’un capteur électrochimique original à ondes acoustiques de surface (ESAW) dans l’optique de réaliser des mesures gravimétriques et électrochimiques couplées et simultanées. / In the field of chemical and biological sensors, the increased need for better sensitivity, faster response and higher selectivity during an analysis process, requires the development of more and more efficient transducing sensing layers. In this context, and with the aim to detect small non-electroactive molecules, such as atrazine (ATZ), we designed, characterized and developed sensing layers constituted by functionalized Molecularly Imprinted Conducting Polymers (MICP) and we integrated them into electrochemical and gravimetrical sensors. Starting from acetonitrile pre-polymerization media containing ATZ as template molecules in the presence of thiophene-based functional monomers (FM, namely TMA, TAA, EDOT, TMeOH or Th), differently functionalized and structurally different polythiophene-based FM-MICP films were electrosynthesized onto gold substrates and used for ATZ detection. The sensing properties of FM-MICP layers were shown to result from the presence in their backbones of pre-shaped FM-functionalized imprinted cavities which keep the memory of the targets. Nevertheless, non-specific adsorption onto the surface of the sensing layers takes place systematically, which affects the selectivity of the recognition process. Thanks to surface characterization techniques, we highlighted the influence of the thickness and of the structural properties of the layers on the efficiency of the recognition process. Besides, this latter was shown to operate in the bulk of the polymer matrixes thanks to layers porosity. On another hand, electrochemical measurements correlated with semi-empirical calculations demonstrated the influence of the nature of FM on the strength of the ATZ-FM interaction in the pre-polymerization medium, and then on the number of ATZ molecular imprints and on the sensitivity towards ATZ of the FM-MICP layers. We showed that TAA-MICP, which presents a low limit of detection (10-9 mol L-1) and a large dynamic range (10-8 to 10-4 mol L-1), is the best sensing layer since it offers the best compromise between high level of specific detection of ATZ and low level of non-specific adsorption. Finally, TAA-MICP was used as sensitive layer in an original Electrochemical Surface Acoustic Wave sensor (ESAW) which enabled simultaneous coupled gravimetric and electrochemical measurements.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'une nouvelle approche pour la localisation et l'organisation de nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique. Cette dernière représente une technique simple et peu couteuse [i.e. coûteuse] par rapport aux autres techniques couramment utilisées pour la fabrication de nanocristaux de silicium. L'idée de ce travail a été d'étudier la nanostructuration de minces couches de nitrure de silicium, d'environ 30 nm d'épaisseur pour permettre par la suite un arrangement périodique des nanocristaux de silicium. Cette pré-structuration est obtenue de façon artificielle en imposant un motif périodique via une technique de lithographie par faisceau d'électrons combinée avec une gravure plasma. Une optimisation des conditions de lithographie et de gravure plasma ont permis d'obtenir des réseaux de trous de 30 nm de diamètre débouchant sur le silicium avec un bon contrôle de leur morphologie (taille, profondeur et forme). En ajustant les conditions de gravure électrochimique (concentration d'acide, temps de gravure et densité de courant), nous avons obtenu des réseaux -2D ordonnés de nanocristaux de silicium de 10 nm de diamètre à travers ces masques de nanotrous avec le contrôle parfait de leur localisation, la distance entre les nanocristaux et leur orientation cristalline. Des études électriques préliminaires sur ces nanocristaux ont permis de mettre en évidence des effets de chargement. Ces résultats très prometteurs confirment l'intérêt des nanocristaux de silicium réalisés par gravure électrochimique dans le futur pour la fabrication à grande échelle de dispositifs nanoélectroniques.

Le sujet de cette thèse porte sur l'élaboration du nouveau nanomatériau par la gravure électrochimique bipolaire (BEE) -- le Ge mésoporeux et sur l'analyse de ses propriétés physico-chimiques en vue de son utilisation dans des applications photovoltaïques. La formation du Ge mésoporeux par gravure électrochimique a été précédemment rapportée dans la littérature. Cependant, le verrou technologique important des procédés de fabrication existants consistait à obtenir des couches épaisses (supérieure à 500 nm ) du Ge mésoporeux à la morphologie parfaitement contrôlée. En effet, la caractérisation physico-chimique des couches minces est beaucoup plus compliquée et le nombre de leurs applications possibles est fortement limité. Nous avons développé un modèle électrochimique qui décrit les mécanismes principaux de formation des pores ce qui nous a permis de réaliser des structures épaisses du Ge mésoporeux (jusqu'au 10 ?m ) ayant la porosité ajustable dans une large gamme de 15% à 60%. En plus, la formation des nanostructures poreuses aux morphologies variables et bien contrôlées est désormais devenue possible. Enfin, la maîtrise de tous ces paramètres a ouvert la voie extrêmement prometteuse vers la réalisation des structures poreuses à multi-couches à base de Ge pour des nombreuses applications innovantes et multidisciplinaires grâce à la flexibilité technologique actuelle atteinte. En particulier, dans le cadre de cette thèse, les couches du Ge mesoporeux ont été optimisées dans le but de réaliser le procédé de transfert de couches minces d'une cellule solaire à triple jonctions via une couche sacrificielle en Ge poreux.

Cette étude est consacrée au développement d'une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) de type monochambre. Contrairement à une pile SOFC conventionnelle, le système monochambre fonctionne dans un mélange de gaz hydrocarbure/air ce qui permet de s'affranchir des contraintes d'étanchéités. Le principe de fonctionnement est basé sur la différence d'activité catalytique entre l'anode et la cathode : l'anode doit être sélective à l'oxydation des hydrocarbures et la cathode à la réduction de l'oxygène. La configuration monochambre implique cependant de nouvelles contraintes concernant notamment la stabilité des matériaux sous mélange hydrocarbure/air à haute température.L'objectif de cette thèse est d'optimiser les performances d'une pile monochambre fonctionnant sous mélange méthane/oxygène et d'améliorer la compréhension de ce système.Les différents éléments d'une pile (électrolyte, cathode, anode) ont été caractérisés sous mélange méthane/oxygène. Quatre matériaux de cathodes (LSM, BSCF, SSC, LSCF) ont été comparés au niveau de leur activité catalytique, stabilité, conductivité électrique et résistance de polarisation. Une étude catalytique de l'anode a été réalisée afin d'identifier les réactions chimiques qui se produisent. Une étude de pile complète en géométrie électrolyte support a permis de sélectionner le matériau de cathode LSCF. Cette étude a également mis en évidence la nécessité de diminuer l'épaisseur de l'électrolyte, la géométrie anode support a donc été étudiée. La première pile anode support a présentée une anode inhomogène et un électrolyte poreux. Des travaux ont été menés afin d'homogénéiser l'anode et de diminuer la porosité de l'électrolyte. En optimisant les conditions de fonctionnement (température et rapport CH4/O2), une densité de puissance maximale de 160 mW.cm-2 a été obtenue.

La technologie de stockage d’énergie basée sur le lithium est largement utilisée dans le monde depuis sa première commercialisation en 1990. Bien que considérées comme l’une des technologies motrices pour le stockage d’énergie mobile et stationnaire, les batteries au lithium ne sont pas exemptes des phénomènes de vieillissement liés à leur utilisation. Le vieillissement des cellules se manifeste par une baisse importante de la capacité ainsi qu’une augmentation de la résistance interne. La compréhension des phénomènes liés à cette usure contribue à améliorer la durée de vie des cellules par des outils de 1) diagnostiques et de 2) modélisation. La modélisation de ces phénomènes repose sur des principes théoriques d’électrochimie, mais également sur des études de vieillissement accéléré des matériaux d’électrodes en laboratoire. En utilisant le lithium fer phosphate (LiFePO[indice inférieur 4]) comme matériau d’électrode positive, des outils diagnostiques ont été développé afin d’étudier le vieillissement de matériaux d’électrodes de piles boutons au lithium (Li/LFP) et aux ions lithium (C/LFP). Dans la première partie de ce mémoire, les cellules ont été optimisées à travers l’évaluation de l’effet de l’épaisseur et de la compression des électrodes sur leurs performances. Les performances optimales ont été obtenues avec des électrodes de faibles épaisseurs (~ 40 μm) ainsi qu’une compression maximale (5 à 6 espaceurs en acier inoxydable soit 2,5 mm et 3 mm d’épaisseur). L’effet de paramètres de vieillissement sur l’usure des piles boutons a par la suite été évalué. La température (25 °C et 45 °C) et la vitesse de charge/décharge (1C et 4C) ont été choisies comme paramètres de vieillissement accéléré. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), notre outil principal d’analyse, a permis de suivre l’évolution des paramètres de transfert de charge (résistances de l’électrolyte et de transfert de charge) et de masse (coefficient de diffusion des ions lithium) tout au long de l’étude. Un modèle de circuit équivalent basé sur la diffusion en coordonnées sphérique a été développé afin d’interpréter les diagrammes de Nyquist obtenus en début et en fin de vie des cellules. Des valeurs de coefficient de diffusion des ions lithium (D[indice inférieur Li+]) de l’ordre de 10-[indice supérieur 11] à 10-[indice supérieur 16] cm[indice supérieur 2]/s ont été trouvées à l’aide du modèle de diffusion sphérique exploitant le rayon des particules de LiFePO[indice inférieur 4]. La température est le paramètre ayant présenté l’effet le plus préjudiciable sur les performances des deux types de cellules, Li/LFP et C/LFP. La plus grande baisse de capacité associée évidemment à une conséquente augmentation de résistance de transfert de charge (R[indice inférieur ct]) a en effet été observé à 45 °C. L’augmentation de la R[indice inférieur ct] a été attribuée à la croissance de l’interface d’électrolyte solide (SEI) et de l’interface perméable solide (SPI) respectivement à la surface des électrodes négative et positive. L’évolution de la SEI (dissolution/reformation) a été évaluée indirectement par le suivi de l’efficacité coulombique (Eff Q). L’efficacité coulombique présente généralement des valeurs de l’ordre de 99 % au début de la vie des cellules. Cette valeur décroit graduellement tout au long de l’étude de vieillissement. Une baisse de l’efficacité coulombique de l’ordre de 50 % a été associée à une consommation d’ions lithium suite à la reformation de la SEI. Des diminutions importantes (de 99 % à 50 %) de l’Eff Q ont été observées à 45 °C, laissant supposer une instabilité de la SEI entrainant une dissolution et une reformation en continu de cette dernière dans les deux types de cellules. Dans les cellules Li/LFP à 45 °C contrairement à celles C/LFP, l’Eff Q fluctue de 99 % à 50 % mais finit par retrouver des valeurs de l’ordre de 97% à la fin de l’étude de vieillissement. Cette observation a conduit à émettre l’hypothèse selon laquelle la SEI est plus stable dans les cellules Li/LFP que dans celles C/LFP. Dans les cellules C/LFP, l’intercalation des ions Li[indice supérieur +] génère un stress dans la structure du carbone entrainant un décollement de la SEI. Le décollement de la SEI découvre des régions de l’électrode négative (EN) de carbone non protégées susceptibles de réagir avec l’électrolyte. Des ions Li[indice supérieur +] sont par conséquent utilisés lors de chaque charge afin de former la SEI sur les surfaces de l’EN nouvellement découvertes, d’où la baisse graduelle de l’Eff Q (de 99 % à 80 %) observée dans les cellules C/LFP. À la fin de l’étude de vieillissement, une analyse physico-chimique post mortem a été effectuée sur des électrodes. Les analyses de microscopie électronique à balayage (MEB) ont permis de détecter des changements de taille et de forme des particules de carbone de l’électrode négative suite à la formation de la SEI ainsi que la présence de la SPI à la surface de l’électrode positive de LiFePO[indice inférieur 4] (LFP). La diffraction des rayons X (DRX) d’électrode positive issues de cellules Li/LFP et C/LFP vieillies a permis d’évaluer les phases en présence ainsi que l’état du LFP. La structure du LFP n’a pas été altérée par le vieillissement. Les diffractogrammes d’électrodes positives issues de cellules Li/LFP n’ont montré que la phase riche en lithium (phase triphylite) confirmant l’hypothèse selon laquelle la baisse de capacité n’était pas la conséquence d’un manque d’ions lithium. Dans le cas des EP issues de cellules C/LFP, il a été observé sur les diffractogrammes la présence des phases riche (triphylite) et pauvre (hétérosite) en lithium. Cela confirme la présence insuffisante de lithium cyclable dans ces cellules à la fin de l’étude (cycle 220). La baisse de capacité enregistrée dans les cellules Li/LFP et C/LFP n’est pas due à la dégradation du LFP, mais plutôt à l’augmentation de l’impédance interne liée à la croissance de la SEI et à la consommation du lithium cyclable. Les résultats issus de ce mémoire ont été présentés au congrès de Electrochemical Society (ECS) Prime 2016 (Walter Wakem Fankem, Barzin Rajabloo, Martin Désilets, Gessie Brisard, Electrochemical Impedance Spectroscopy to Diagnose the Effect of Morphology and as A Tool to Model the Aging Process of Li Batteries, 2 – 7 Octobre 2016, HI). Ils ont également fait l’objet d’un article soumis (Barzin Rajabloo, Ali Jokar, Walter Wakem Fankem, Martin Désilets, Gessie Brisard, A New Variable Resistance Single Particle Model for Lithium Iron Phosphate Electrode, Journal of Power Sources, Avril 2017) en collaboration avec Barzin Rajabloo du groupe de recherche CREEPIUS (département de génie chimique et de génie technologique). Ledit article porte sur le développement d’un modèle de vieillissement semi-empirique de pile bouton Li/LFP basé sur un système de résistance variable.

Ce travail comprend deux volets. Un premier volet plus « stratégique » concernant l’importance du stockage pour les énergies renouvelables. Un deuxième volet de plus en plus technique et de plus en plus précis concernant le positionnement du stockage électrochimique, la place qu’y tient la batterie Plomb Acide, les variantes technologiques, pour arriver à une modélisation électrochimique détaillée du type de batterie retenu. Dans le premier volet, le chapitre 1 de la thèse met en évidence le bon positionnement du stockage électrochimique pour les besoins des énergies renouvelables. Vis-à-vis des fluctuations aléatoires de la ressource, le temps est un élément important de la discussion : temps de stockage d’une part, temps de mobilisation de l’énergie stocké d’autre part. A cet égard, le cahier des charges pour le lissage de production d’une unité connectée au réseau est bien différent des applications de stockage pour un système de production autonome. Le deuxième chapitre devient plus technique, à l’occasion de la comparaison de la batterie au plomb avec les autres systèmes de stockage. L’idée directrice est d’appuyer cette discussion sur des arguments liés au bases physiques de fonctionnement des composants étudiés : c’est en même temps un prétexte pour commencer l’introduction de principes de bases d’électrochimie qui seront développés et utilisés par la suite. On a raisonné sur trois grandes familles : accumulateurs (exemples batterie au plomb, NiMH, Lithium ion), systèmes de type redox ou plus généralement combustible externe (exemple pile à combustible) et super capacités. Comparaison globalement peu flatteuse pour les performances moyennes de la batterie au plomb, sauvée par son bon rapport performances/prix. Le troisième chapitre entre dans le détail des variantes technologiques, qui démontre une grande flexibilité permettant des compromis pour s’adapter à des besoins spécifiques très variés. On s’est attaché à chercher les aspects spécifiques peu explorés pouvant mener à des améliorations, notamment au niveau de mécanismes réactionnels mis en évidence récemment, 2 En particulier au niveau de l’électrode positive (en liaison notamment avec la mise en évidence par Pavlov d’une phase intermédiaire entre PbO2 et l’électrolyte, de gel Pb(OH)2, aux propriétés mal élucidées). Nous avons placé dans ce chapitre une analyse détaillée de l’hydrolyse, prenant en compte la recombinaison directe de O2 et H2 à l’électrode négative citée également par Pavlov. Ces éléments seront directement repris et complétés au chapitre 4 en modélisation. Le chapitre 4, consacrée à la modélisation et l’expérimentation est l’aboutissement du travail progressif d’introduction de bases d’électrochimie appliquées à la batterie. Il va souligner le rôle central des mécanismes de diffusion/migration dans le fonctionnement. Un premier volet « mathématique » concerne une approximation des équations de diffusion par un réseau de composants discret, optimale du point de vue du nombre de composants. Le modèle global de la batterie peu schématiquement être décomposées en trois grandes fonctions : diffusion, activation, hydrolyse. Ces fonctions sont interconnectées, mais on s’efforcera de les introduire successivement sous forme découplée (au moins de façon approchée). Une première étape est d’obtenir, en grande partie à partir d’expérimentations spécifiques, des valeurs réalistes des paramètres du modèle. Les simulations effectuées démontrent la capacité du modèle à décrire correctement le comportement de la batterie dans les situations les plus variées. / This work has two parts. A first more "strategic" part concerning the importance of storage for renewable energies. An increasingly technical and increasingly precise part concerning the positioning of the electrochemical storage, the position of the Lead Acid battery, the technological variants, to arrive at a detailed electrochemical modeling of the type of battery retained.In the first section, Chapter 1 of the thesis highlights the good positioning of electrochemical storage for the needs of renewable energies. With respect to the random fluctuations of the resource, time is an important element of the discussion: storage time on the one hand, time of mobilization of stored energy on the other hand. In this respect, the specification for the production smoothing of a unit connected to the network is quite different from the storage applications for a stand-alone production system.The second chapter becomes more technical, when comparing the lead-acid battery with the other storage systems. The guiding idea is to support this discussion on arguments related to the physical basis of functioning of the components studied. At the same time, it is a pretext to begin the introduction of basic principles of electrochemistry that will be developed and used by the after. There are three main families: accumulators (examples lead acid battery, NiMH, Lithium ion), redox systems or more generally external fuel (example fuel cell) and super capacitors. Overall comparison unflattering for the average performance of the lead battery, saved by its good performance / price ratio.The third chapter explains the technological variants, which shows a great flexibility that allows compromises to adapt to a wide variety of specific needs. Attention has been given to identifying specific aspects which have not been explored and which can lead to improvements, in particular in the context of recent reaction mechanisms, 2In particular, at the positive electrode (linked in particular with the Pavlov demonstration of an intermediate phase between PbO 2 and the electrolyte, of Pb (OH) 2 gel, with poorly elucidated properties). In this chapter we have placed a detailed analysis of the hydrolysis, taking into account the direct recombination of O2 and H2 at the negative electrode also cited by Pavlov. These elements will be taken up and completed in Chapter 4 in modeling.Chapter 4, devoted to modeling and experimentation, is the culmination of the progressive work of introducing electrochemical bases applied to the battery. It will underline the central role of dissemination / migration mechanisms in the functioning.A first "mathematical" aspect concerns an approximation of the diffusion equations by a discrete component network, optimal in terms of the number of components. The overall model of the battery schematically be broken down into three main functions: diffusion, activation, hydrolysis. These functions are interconnected, but efforts will be made to introduce them successively in decoupled form (at least in an approximate manner). A first step is to obtain, largely from specific experiments, realistic values of the parameters of the model.

Parmi tous les matériaux oxydes de type pérovskite (ABO3), les ferro-cobaltites de terre rares (LSCF) ont suscité beaucoup d’intérêt en raison de leur conductivité mixte ionique et électronique (MIEC) et de leur forte activité catalytique. L’objectif de cette étude fondamentale est de comprendre l’influence de la microstructure, de la composition de LSCF et de la pression partielle d’oxygène sur l’allure des voltammogrammes et sur la variation de la résistance en série, Rs, en fonction de la polarisation. Ainsi, les propriétés redox de LSCF déposé sur CGO ont été étudiées par voltammétrie cyclique et par des mesures d’impédance sous courant continu dans la gamme de température de 300 à 700 °C et sous une pression partielle d’oxygène égale à 0,21 et 1,8.10-4 atm. Nous avons tout d’abord démontré les effets importants de la microstructure sur l’allure des voltammogrammes de l’électrode LSCF/CGO. Dans le cas d’une couche dense, les voltammogrammes expérimentaux présentent des pics cathodiques et anodiques symétriques caractéristiques d’un composé d’intercalation et Rs augmente avec la polarisation cathodique. Pour une couche poreuse sous air, les voltammogrammes sont identiques à la courbe de polarisation et Rs ne varie pas. Puis, nous avons montré que la pression partielle d’oxygène influe également fortement sur la réponse voltammétrique du matériau poreux avec apparition des pics cathodiques et anodiques. La nature des pics et leur attribution au changement de concentration en lacunes dans LSCF ont été confirmées par un travail de simulation des voltammogrammes en fonction de paramètres microstructuraux et de la pression partielle d’oxygène. Enfin, l’étude de cinq compositions de LSCF de microstructure poreuse a montré sous faible p(O2) que les voltammogrammes cycliques sont plus complexes pour les composés LSCF riches en cobalt que pour les riches en fer. / Among perovskite-type oxide materials (ABO3), rare earth doped cobalt ferrites (LSCFs) aroused a lot of interest because of their mixed ionic and electronic conductivity (MIEC) and their high catalytic activity. The objective of this fundamental study was to understand the influence of the microstructure, the LSCF composition and the oxygen partial pressure on the voltammogram shape and on the variation of the series resistance, Rs, as a function of continuous polarization. Thus, the redox properties of LSCF deposited on CGO were studied by cyclic voltammetry and by DC impedance measurements in the temperature range of 300-700 °C and under oxygen partial pressure equal to 0.21 and 1.8 × 10-4 atm. First, we demonstrated the significant effects of the microstructure on the voltammogram shape of the LSCF / CGO electrode. In the case of a dense layer, the voltammograms exhibit symmetrical cathodic and anodic peaks characteristic of an intercalation compound and Rs increases with cathodic polarization. For a porous layer in air, the voltammograms are identical to the polarization curve and Rs do not vary. Then, we have shown that the oxygen partial pressure strongly influences the voltammetric response of the porous material with appearance of cathodic and anodic peaks. The nature of the peaks and their attribution to the change of concentration in vacancies in LSCF were confirmed by a study of simulation of the voltammograms according to microstructural parameters and the oxygen partial pressure. Finally, the study of five LSCF compositions with porous microstructure showed under low p(O2) that cyclic voltammograms are more complex for cobalt-rich LSCF compounds than for iron-rich ones.

Les travaux de cette thèse portent sur l'élaboration de capteurs électrochimiques pour la détection de micropolluants mis sous surveillance par la Directive Cadre sur l'Eau (DCE/200/60/CE) tels que Ni(II) et Pb(II). Actuellement, le contrôle des eaux est effectué par prélèvements cependant les méthodes d'analyses sont longues et coûteuses et les seuils de concentration très faibles imposés par la loi, nécessitent d’avoir recourt à d’autres types d’équipements, tels que les capteurs électrochimiques. L'amélioration indispensable de leur sensibilité et de leur sélectivité peut être atteinte par le choix du matériau d'électrode et de sa fonctionnalisation de surface. Ces capteurs ont pour objectif, à terme, d’analyser la qualité des eaux sur site en continu ou semi-continu. Dans le cas de l'étude de la sélectivité, les sels de diazonium ont été choisis pour le greffage des fonctions benzamides oximes, complexantes du Ni(II). Cette molécule n'ayant jamais été étudiée électro-chimiquement, son domaine d'électro-activité et les mécanismes d'oxydation ont été étudiés. Les électrodes greffées ont permis la détection électrochimique et montrent une sélectivité pour le Ni(II), en présence d'interférents comme Pb(II) et Cu(II). Cette étude a prouvé que les amines aromatiques et aliphatiques peuvent être greffées par oxydation en milieux aqueux. Les électrodes ainsi fonctionnalisées ont montré que la mobilité des fonctions complexantes, via la structure et la longueur du squelette carboné, influence la limite de détection des capteurs, les chaînes aliphatiques complexant particulièrement bien les cations métalliques. Enfin, l’influence de différentes formes allotropiques du carbone, utilisées en tant que phases actives d’électrodes sérigraphiées, a été étudié. Des électrodes composées de différentes formes allotropiques de carbones ont été fonctionnalisées par des sels de diazonium et utilisées pour la détection du Pb(II). Les résultats montrent que certains matériaux carbonés, comme les nanotubes de carbone, améliorent les propriétés électro-catalytiques des capteurs. / This work is focused on the elaboration of electrochemical sensors for Ni(II) and Pb(II) micropollutants detection, targeted by the Water Framework Directive (WFD 2000/60/CE). Currently, water supervision is carried out by sampling and analytical equipments, however these methods are too long and too expensive, the very low concentration limits imposed by laws, needed to be reached using other kind of equipments such as electrochemical sensors. The sensitivity and selectivity of these sensors can be improved by the choice of the electrode materials and their surface functionalization. The aim of these sensors is to make possible the water quality analysis on site, continuously or semi-continuously. The selectivity was reached by grafting diazonium salts composed of benzamide oxime functions, complexing Ni(II). The electro-activity area and the oxidation mechanisms of this molecule were investigated. It is to be underlined that the electrochemical behavior of this molecule has never been studied in the litterature. The grafted electrodes were used for the electrochemical detection, and they turned out to be selective for Ni(II) detection in the presence of both Pb(II) and Cu(II). To improve the sensitivity of these sensors, the mobility of the complexing function is important. This study shows the possibility to graft aliphatic and aromatic amines via oxidation reactions in aqueous media. These electrodes revealed better analytical performances for the sensors grafted by aliphatic amines through the mobility of the carbon chains complexing metallic cations. Finally, the influence of the different allotropic kind of carbons, used as screen printing electrodes, were compared. These electrodes, functionalized with diazonium salts and used for the detection of the Pb (II) showed that some carbonaceous materials such as carbon nanotubes, improve the electro-catalytic properties of the sensors.

Une surface est dite superhydrophobe si l’angle de contact d’une goutte d’eau avec cette surface est supérieur à 150°. Les domaines d’application de telles surfaces anti-adhérentes sont variées : du bâtiment avec l’élaboration de vitres anti-salissures au biomédical pour empêcher ou limiter l’adhésion bactérienne en passant par l’aéronautique. La superhydrophobie provient de la combinaison de deux paramètres : la structuration de la surface et la faible énergie de surface du matériau. Dans la plupart des références de la littérature, l’élaboration de telles surfaces s’effectue en plusieurs étapes. La polymérisation électrochimique de monomères conducteurs est une technique simple, rapide et reproductible pour obtenir des surfaces superhydrophobes. En effet, en une seule étape, le film de polymère se dépose et se structure. Cette méthode permet de contrôler les propriétés de mouillage en jouant sur les paramètres électrochimiques (charge de dépôt, substrat, sel électrolyte) ou sur la structure chimique du monomère. Ce travail porte sur l’élaboration et la caractérisation de films de polymères conducteurs obtenus par électrodéposition de dérivés du 3,4-éthylènedioxythiophene (EDOT), du 3,4-ethylènethiathiophene (EOTT) et du 3,4-propylenedioxythiophene (ProDOT) portant une chaîne hydrocarbonée de longueur variable. Des surfaces aux propriétés de mouillage polyvalentes (hydrophiles à superhydrophobes) ont été obtenues. De plus, l’influence de la part chimie et de la part physique sur l’angle de contact à l’eau a été déterminée pour les EDOT hydrocarbonés. Ce travail contribue à trouver une alternative aux composés fluorés. dans la domaine de la superhydrophobie. / Controlling wettability of a solid surface is important in many practical applications. This property, resulting from the combination a low surface energy material with a surface structuration, is commonly expressed by the contact angle of a water droplet on the surface. Surfaces with a water contact angle (θwater) larger than 150° are usually called superhydrophobic surfaces. Such surfaces are very interesting because of their expected self-cleaning or anti-contamination properties, which could be applied in various applications such as in biomedical devices, paint or in aeronautics for example. Among all the techniques to prepare superhydrophobic surfaces, electrochemical polymerization is a fast and versatile technique. In current literature on this field, the general approach is the use of highly fluorinated tails to reach the water-repellency. However, as observed in nature, fluorine is not necessary and can present environmental impacts. In this work, we focused on the synthesis of original monomers with hydrocarbon chain as hydrophobic part in order to find alternative to fluorine chemistry to prepare electropolymerized superhydrophobic surfaces. We succeeded to reach high water repellency (θwater > 150°) with hydrocarbon conducting polymers and we determined the influence of chemical and physical parts onto the water contact angle. We also found similar dewetting properties than the fluorinated series meaning the hydrocarbon conducting polymers could be a real alternative to fluorine chemistry.

La conservation du circuit secondaire des réacteurs à eau sous pression pendant les périodes d’arrêts nécessite la mise en oeuvre de conditions spécifiques afin de limiter les phénomènes de corrosion des aciers au carbone, qui composent en grande majorité ce circuit. Les méthodes de conservation impliquent une mise en oeuvre contraignante et couteuse lors des arrêts de tranche. L’injection d’amines filmantes (AF), en fonctionnement avant les phases d’arrêt, constitue une voie d’étude intéressante afin de protéger les composants en acier au carbone tout en simplifiant la mise en oeuvre de la conservation à l’arrêt. Le but de ce travail de thèse est d’étudier le comportement et l’efficacité d’une AF pour la protection des aciers au carbone dans les conditions représentatives des centrales REP. Pour mener à bien ces travaux, la spectroscopie d’impédance électrochimique a été utilisée en appui à des observations de surface par microscopie optique et microscopie électronique à balayage et à des analyses de surface par spectroscopie de photoelectrons X. Tout d’abord, des films d’AF formés sur un acier au carbone à basse température (80 °C) dans des conditions de dépôts optimisées ont été caractérisés (épaisseur, permittivité) et leurs propriétés inhibitrices de corrosion évaluées en milieu Na2SO4 à pH proche de 10. Cette première étude a permis de valider une méthode de caractérisation des films à travers l’analyse des données d’impédance à haute fréquence. Puis, cette méthode a été utilisée pour suivre et caractériser la formation de films d’AF d’une part, sur de la magnétite électrodéposée dans les conditions de dépôt optimisées, et d’autre part, sur des coupons d’acier au carbone polis dans les conditions thermo-chimiques du circuit secondaire à 120 °C, 220 °C et 275 °C en fixant la concentration en AF en solution à 2 ppm. Les suivis par impédance au cours du temps de l’acier au carbone traité avec l’AF ont permis de tester l’efficacité des films pendant une phase de conservation humide. Les résultats mettent en évidence l’influence des conditions de formation des films d’AF (température, concentration en AF, temps de traitement et nature du substrat) sur leur efficacité contre la corrosion en conservation. D’après nos résultats, seul le traitement réalisé à 120 °C a abouti à la formation d’un film d’AF pour lequel la protection de l’acier au carbone a été confirmé à l’issu d’une conservation humide de 30 jours. Les films formés sur l’acier au carbone nu à basse température ont montré une forte susceptibilité à la désorption au cours du temps, de même que pour les films d’AF déposés à 220 °C, et ce même avec une forte concentration en AF de 25 ppm. Enfin, pour les dépôts effectués à 275 °C, la cause la plus probable de la diminution de l’efficacité contre la corrosion observée entre 2 h et 24 h de traitement viendrait de la dégradation thermique de l’AF, détectée en solution au-delà de 2 h d’exposition à cette température.