La qualité de l’air extérieur (QAE) a fait l’objet d’une législation dès 1996 avec la loi LAURE. Depuis 2008, la directive européenne 2008/50/CE a instauré des obligations de mesure et de seuils à ne pas dépasser pour certains polluants à l’échelle européenne. Selon de nombreuses données toxicologiques et épidémiologiques, la pollution de l’air est à l’origine d’insuffisances respiratoires, d’asthme, de maladies cardiovasculaires et de cancers.Les composés organiques volatils (COV) et notamment le benzène, le toluène, l’ethylbenzène et les xylènes (les composés BTEX) sont des polluants avérés et participent grandement à la dégradation de la qualité de l’air intérieur et extérieur. Ce travail de thèse a concerné la réalisation d’un multicapteur de gaz à base d’oxyde métallique pour la détection de traces de BTEX dans le cadre du projet SMARTY (SMart AiR qualiTY). Un système de caractérisation électrique complet a été conçu et mise au point pour la détection de très faibles concentrations de BTEX (le ppb). Après une étude bibliographique, plusieurs matériaux ont été sélectionnés (WO3, ZnO, SnO2). Les caractérisations électriques des couches sensibles sélectionnées ont été effectuées sous air sec et sous différents taux d’humidité en présence de BTEX et de gaz interférents (NO2, CO2). Le WO3 a montré les meilleures performances en présence d’humidité et a été choisi pour le transfert de technologie qui accompagne les nouveaux transducteurs brevetés AMU. Le multicapteur à base de WO3 a montré une détection limite de 1 ppb sous 50% d’humidité relative et a permis de détecter et de quantifier de manière efficace les BTEX. / Outdoor air quality is subjected to the law LAURE since 1996. In 2008, the european directive 2008/50/EC introduced measurement requirements and thresholds that should not be exceeded for certain pollutants on a european scale. According to several toxicological and epidemiological studies, air pollution causes respiratory failure, asthma, cardiovascular diseases and cancers. In Europe, air pollution is responsible for more than 300 000 early deaths a year.Volatile organic compounds (VOCs), particularly benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX compounds) are proven pollutants and play a major role in the degradation of indoor and outdoor air quality. This thesis is dedicated to the development of a metal oxide based multi-gas sensor for the detection of traces of BTEX within the framework of the SMARTY project (SMart AiR qualiTY). A complete electrical characterization system was designed and implemented for the detection of sub-ppm concentrations of BTEX.Based on the state-of-art, several materials were selected (WO3, ZnO, SnO2). The electrical characterizations of the selected sensitive layers were carried out under dry air and under different humidity levels in the presence of BTEX and interfering gases (NO2, CO2). Tungsten oxide (WO3) exhibits the best performance in the presence of moisture and is chosen for the technology transfer that accompanies the new patented AMU transducers. The WO3-based multi-sensor has a lower limit of detection (LOD) of 1 ppb at 50% relative humidity and effectively detects and quantifies BTEX.

Porté par les préoccupations actuelles en matière de sécurité et de qualité environnementale ainsi que par les efforts de recherche entrepris dans ce domaine, le marché mondial des capteurs de gaz est en pleine expansion. Dans le contexte de la commercialisation d'un capteur de gaz, une phase d'amélioration de ses performances, et notamment de sa sensibilité et de sa stabilité, est naturellement nécessaire. Cependant, il s'avère également pertinent d'envisager d'en diminuer le coût de fabrication. Pour cela, il convient de développer une technologie utilisant d'une part des matériaux bas coût et d'autre part permettant de réduire la consommation électrique du dispositif. Dans cette optique, ce travail de thèse a porté sur la réalisation et la caractérisation d'un capteur de gaz oxyde semi-conducteur entièrement basé sur le tungstène et le trioxyde de tungstène pour la détection d'hydrogène sulfuré en milieu industriel. Le principal onjectif était de fabriquer un capteur faible coût en utilisant des techniques d'élaboration simples et des matériaux peu onéreux. Pour cela, notre travail a consisté, dans un premier temps, à développer un élément chauffant en tungstène pouvant fonctionner jusqu'à 500°C. Les procédés mis au point pour la conception de l'élément chauffant ont été utilisés dans l'élaboration des électrodes permettant de mesurer la résistance électrique du film de trioxyde de tungstène. Ensuite, nous avons travaillé sur l'optimisation du procédé de pulvérisation cathodique radio fréquence pour l'élaboration de l'élément sensible en trioxyde de tungstène. Des essais sous gaz ont montré des résultats prometteurs pour la détection d'hydrogène, de dioxyde d'azote et d'ammoniac. / Driven by current safety and environmental quality concerns and research efforts in this area, the global market for gas sensors is expanding rapidly. In the context of the marketing of a gas sensor, a phase of improvement in its performance, and in particular its sensitivity and stability, is naturally necessary. However, it is also relevant to consider reducing the cost of manufacturing. To achieve this, it is necessary to develop a technology that uses low-cost materials and reduces the device's power consumption. In this perspective, this thesis work focused on the realization and characterization of a semiconductor oxide gas sensor entirely based on tungsten and tungsten trioxide for the detection of hydrogen sulfide in an industrial environment. The main objective was to manufacturate a low-cost sensor using simple processing techniques and low-cost materials. To achieve this, our work initially consisted in developing a tungsten heating element that can operate up to 500°C. The processes developed for the conception of the heating element were used in the development of the electrodes for measuring the electrical resistance of the tungsten trioxide film. Then, we worked on the optimization of the radio frequency sputtering process for the development of the tungsten trioxide sensing element. Gas measurements have shown promising results for the detection of hydrogen sulfide, nitrogen dioxide and ammonia.

Nous présentons dans ce manuscrit l'élaboration par électrofilage (ES) de nanofibres hybrides métal/oxyde métallique (HMMOC) et leurs caractérisations physico-chimiques. Leurs utilisations dans le cadre d’applications de type « énergie » et « environnement » ont été évaluées. En particulier, la photocatalyse de nanofibres TiO2-Au pour la dégradation en solution aqueuse du bleu de méthylène et l’utilisation de nanofibres WO3-Au comme capteurs de gaz (VOCs) ont été examinées. En lien étroit avec les résultats obtenus sur l'évaluation des performances comme photocatalyseurs ou capteurs à gaz de ces nouvelles structures HMMOC, l'influence de nombreux paramètres a été étudiée : la concentration en ions aurique, la méthode utilisée pour introduire ces derniers à l’intérieur ou les déposer à la surface des nanofibres d’oxydes et finalement le traitement thermique. En effet, on peut soit mélanger directement, avant la procédure d’électrofilage, la solution contenant les ions aurique à la solution polymérique (composée de PVP, PAN, ou PVA contenant le précurseur d'oxyde métallique), soit déposer sous forme de goutte cette solution d’ions Au à la surface des nanofibres d’oxyde métallique une fois la procédure d’électrofilage effectuée. Quant au traitement thermique, il joue un rôle multiple puisqu’il permet à la fois, d’éliminer les composés organiques des solutions polymériques, participant ainsi à la structuration de la partie oxyde du HMMOC, mais aussi de réduire les ions Au sous forme de nanoparticules.Des résultats prometteurs en photocatalyse ont été obtenus sur des fibres optimisées de TiO2 contenant des nanoparticules d’Au de 10 nm (concentration en Au : 4 wt%). En effet, pour cet échantillon, on montre une dégradation 3 fois plus rapide du bleu de méthylène en solution aqueuse que celle obtenue sur les nanofibres de TiO2 de références et sur le catalyseur commercial P25. De la même manière, des nanofibres de WO3 décorées de nanoparticules d’Au de 10 nm, utilisées comme capteurs de gaz, permettent d’obtenir une réponse 60 fois plus importante que dans le cas de nanofibres de WO3 pure et en améliorant grandement la sélectivité par rapport au n-butanol / We present in this manuscript the elaboration by Electrospinning (ES) process of hybrid metal-metallic oxide composite (HMMOC) nanofibers (NFs), and their physical-chemical characterizations. Their applications, especially the photocatalysis of TiO2-Au composite NFs for photocatalytic degradation for methylene blue (MB) in an aqueous solution and WO3-Au composite NFs for gas sensing of the volatile organic compounds (VOCs) have been investigated. According to the performance evaluation results as photocatalyst or gas sensors, the influence of many parameters have been studied: gold ions concentration, the way to introduce them into or at the NFs surface, typically by mixing them into the polymeric solution (composed of PVP, PAN, or PVA with the metallic oxide precursor) before the ES process or by simple droplet deposition onto the NFs after ES process, and finally the annealing treatment. This latter plays an important role since it both removes the organic components of the polymeric solution, thus forming the metal oxide and in-situ participates to the Au reduction.Concerning the photocatalytic properties, an optimized HMMOC material based on TiO2 NFs including 10 nm Au nanoparticles (NPs) has been obtained and shows 3 times significantly improvement of MB degradation compared to pure TiO2 NFs and the commercial catalyst P25. For gas sensing elaboration, we have shown that a HMMOC material based on WO3 NFs decorated at their surface with 10 nm Au NPs can exhibit 60 times higher response and significantly improved selectivity toward n-butanol compared with pure WO3 NFs

L'équipe micro-capteurs de l'IM2NP développe des capteursde gaz dont le principe de détection est basé sur la mesure de la variationde la conductance en présence de gaz. Le matériau utilisé comme élémentsensible est l'oxyde de tungstène (WO3) en couches minces. L'objet de cettethèse est donc d'étudier la surface de WO3 dans sa reconstruction c(2x2),obtenue par clivage selon la direction [001]. Cette étude a été également suivied'une étude des lacunes par des calculs ab initio basés sur la DFT, dans lesdeux approximations LDA et GGA. Ensuite, l'dsorption de molécules de gazsimples (O3, COx, NOx) sur des surfaces plus ou moins riches en oxygènea été effectuée. Pour simuler ces systèmes, nous avons fait le choix du codeSIESTA basé sur la DFT et qui présente l'avantage de pouvoir travailler. / The team of micro sensors at IM2NP mainly focuses onthe development of gas sensors based on measurement in conductancevariation in presence of gas. The material used as sensitive element istungsten oxide (WO3) thin film. The objective of present thesis is to studythe surface properties of WO3 in its reconstruction c(2x2), obtained bycleavage along the [001] direction. This study is also followed by a gapanalysis using ab initio calculations based on DFT in both LDA andGGA approximations. Then, the adsorption of molecules of simple gases((O3, COx NOx) for these surfaces (more or less rich in oxygen), is performed.To simulate these systems, we have chosen the SIESTA code based onDFT which is used for the larger number of atoms as compared to other codes.