Le projet ComPANi

Exploration de la voie plasma pour la synthèse de nanocomposites à base de nanofibres de polyaniline et étude de leurs potentialités pour la détection de gaz


Projet financé par la région Pays de la Loire dans le cadre du volet "Paris scientifiques régionaux".

Exploration de la voie plasma pour la synthèse de nanocomposites à base de nanofibres de polyaniline et étude de leurs potentialités pour la détection de gaz

Vers des capteurs d’ammoniac plus performants

Depuis 2012, une équipe de chercheurs travaille à la réalisation d’un nouveau matériau composite formé de nanofibres de polyaniline et de particules métalliques. Ce composite d’un nouveau genre pourrait en effet augmenter l’efficacité des détecteurs d’ammoniac, un gaz largement utilisé dans le domaine industriel mais toxique pour l’homme. Les détecteurs actuels contiennent des capteurs composés d’une couche de polyaniline à travers laquelle l’ammoniac diffuse : remplacer cette couche lisse de polyaniline par des nanostructures permettrait d’augmenter la surface de contact entre le milieu potentiellement contaminé et le capteur, ce qui rendrait les détecteurs plus précis et plus performants. Le projet ComPANi s’articule donc autour de deux problématiques : d’une part, la synthèse du nanocomposite et d’autre part, l’étude de ses propriétés de détection de l’ammoniac.

S’affranchir d’une empreinte : un des enjeux de la synthèse

La synthèse des nanofibres de polyaniline se fait par voie plasma, une des spécialités de l’équipe, et sans empreinte afin de s’affranchir d’une étape d’élimination de celle-ci. L’équipe s’est dans un premier temps intéressée au procédé de synthèse des nanofibres de carbone, permise grâce à des précurseurs de croissance métalliques, qui aurait pu servir de modèle pour la synthèse des nanofibres de polyaniline. Cependant il s’est vite avéré que cette méthode ne pouvait être appliquée à la polyaniline et il a fallu trouver une autre voie de synthèse. La nouvelle méthode développée tire son origine d’une analogie faite entre l’énergie fournie par la décharge électrique produisant le plasma et l’énergie fournie par le courant d’électrolyse lors de synthèses de polymères par voie électrochimique : des études ultérieures montraient qu’il était possible de contrôler la structure du polymère en solution en modulant l’intensité du courant d’électrolyse.

Une nouvelle voie de synthèse par modulation de la puissance du plasma

L’équipe s’est donc attelée à une série d’études de l’influence de la puissance de la décharge sur la morphologie du dépôt et sur la structure chimique du polymère obtenu. Cette étude a permis de distinguer deux situations : en utilisant une décharge de forte puissance, le dépôt prend bien la forme de nanostructures bien qu’on ne puisse encore parler de nanofibres, mais la puissance du plasma dénature le monomère si bien que la structure chimique du dépôt est bien trop réticulée pour présenter les intérêts du polymère attendu. À faible puissance a contrario, la structure de la polyaniline est conservée mais le dépôt se fait de façon homogène sur le substrat. Ces résultats ont permis d’imaginer des techniques de dépôt à puissances variables en deux voire trois étapes : une première étape de polymérisation à forte puissance afin d’obtenir des nanostructures suivie d’une étape à faible puissance afin de recouvrir les nanostructures obtenues par une fine couche de polymère efficient. Le dépôt à trois étapes repose sur les mêmes observations et fait se succéder deux très courtes étapes à fortes puissances et une étape plus longue à puissance réduite de façon à contrôler plus finement la morphologie du dépôt.

Comprendre la nature du plasma pour comprendre la croissance du polymère

Photo du plasma
Un plasma, ici d'aniline, est un gaz ionisé obtenu par une décharge électrique. La puissance de cette décharge influe sur la structure du polymère déposé

Le dépôt de polymère en phase plasma dépend non seulement de la puissance du plasma mais également de sa composition. Il semblait donc intéressant de conduire une étude des phases plasma d’aniline afin de mieux comprendre la croissance du polymère. La spectrométrie d’émission optique a permis de mettre en évidence les espèces les plus radiatives et donc susceptibles de conditionner la polymérisation. De plus, la corrélation entre les données de spectrométrie d’émission optique et l’analyse des polymères plasma a permis de comprendre comment se forme le plasma d’aniline et donc comment se forme la couche mince de polymère.

 

Des polymères plus sensibles à l’ammoniac

Les propriétés de détection d’ammoniac de ces nanostructures ont ensuite été évaluées en mesurant les variations d’absorbance du matériau soumis à différentes concentrations d’ammoniac. Les polymères structurés montrent des performances de sensibilité à l’ammoniac supérieures à celles des polymères non-structurés. Cette sensibilité dépend non seulement de leur surface spécifique mais aussi des conditions d’élaboration de la première étape : cette étape influe sur la réticulation du polymère et donc sur la facilité avec laquelle le gaz diffuse dans le matériau.

Bientôt un nouveau matériau composite

L’étape suivante sera l’adjonction aux nanostructures de polyaniline de particules métalliques, qui sont connues pour améliorer les performances du capteur. L’ajout des particules métalliques se fait aussi en phase plasma par pulvérisation d’une cible métallique. Les premiers essais de dépôt métallique sur une couche lisse ont permis de maîtriser les paramètres jouant sur le taux de métal dans le matériau hybride. L’équipe oriente donc actuellement ses recherches vers l’étude de la répartition des particules métalliques dans le polymère selon la nature chimique de celui-ci, en vue d’optimiser et de comprendre la répartition des particules métalliques dans le matériau.

Membres du projet

Porteur du projet :

Dominique Debarnot     
Maître de conférence à l’IMMM, Équipe PCI      
Responsable de la polymérisation plasma de l’aniline et de la caractérisation sous ammoniac

Pour la polymérisation plasma et l’expertise sur les polymères :

Fabienne Poncin-Epaillard de l’Institut des Molécules et Matériaux du Mans

Pour l’expertise sur les procédés de PECVD et PEPVD micro-ondes distribuées et la caractérisation de la phase plasma :

Ana Lacoste du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble

Pour les technologies de décharges et les techniques de caractérisation de la phase plasma :

Alexandre Bes du Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble

Doctorat sur la synthèse des nanostructures de polyaniline, leur caractérisation chimique et morphologique :

Andrii Zaitsev

Post-doctorat sur l’analyse des phases plasmas :

Abdoul Aziz Ndiaye

Stage de Master 2 sur l’étude des propriétés d’absorption d’ammoniac des nanocomposites :

Zineb El Hamdania

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Animateurs de la thématique Polymère :

immm-anim-pol @ univ-lemans.fr