Littérature scientifique sur le sujet « Microélectrodes – Matériaux »

Ce mémoire est consacré à l'étude de l'incorporation de particules métalliques et de cations dans des matériaux en poudre et à l'application de la microélectrode à cavité (MEC) pour leur étude électrochimique. Dans la première partie, des métaux ont été incorporés dans la polyaniline (PANI) soit sous forme de particules (cas de Ag) ou de microgouttelettes (cas de Hg). Les matériaux composites obtenus ont été caractérisés par différentes méthodes d'analyse (RX, MEB, RMN du solide) et plus particulièrement par électrochimie en utilisant une MEC. Avec l'argent, des composites contenant des particules de taille submicrométrique ont été obtenus. La MEC contenant le matériau composite incorporant du mercure a été utilisée comme microcapteur pour l'analyse par redissolution anodique du plomb dans l'eau. La seconde partie du mémoire concerne l'étude électrochimique avec la MEC des phénomènes d'insertion / désinsertion de cations dans des clusters de molybdène.

Ce mémoire a été préparé dans le cadre du projet européen ERUDESP. Il décrit en détail les études qui ont été réalisées dans ce travail. Un bioréacteur sous forme d’une cellule bioélectrochimique à flux a été développé dans le but de servir pour la bioélectrosynthèse enantiopure. Le mémoire est consacré au design de cellules, screenings de différents médiateurs, au test de différentes réactions électroorganiques et électroenzymatiques à la fois dans une cellule électrochimique classique et dans une cellule électrochimique à flux. Un thème central de ce mémoire représente la synthèse d’électrodes macroporeuses tri-dimensionnelles. Grâce à cela, la surface active de l’électrode est augmentée de manière significative. Pour la préparation de ces électrodes une approche de template a été suivie. Des particules de polystyrène monodisperses ont été synthétisées de différentes manières et sont utilisées pour la synthèse des cristaux colloïdaux qui constituent les templates. Comme procédure de préparation contrôlée de ces templates, la technique de Langmuir-Blodgett et la méthode d’évaporation contrôlée, suivi par l’électrodéposition des métaux et des oxydes métalliques sont appliquées. Les diamètres des pores des matériaux macroporeux résultants sont parfaitement contrôlables par le diamètre des particules utilisées. La méthode de Langmuir-Blodgett a été étendue et appliquée pour la première fois à l’utilisation de particules de polystyrène. Le dépôt est réalisé dans les interstices des cristaux colloïdaux préparés préalablement, suivi par la dissolution des particules. De plus, des électrodes poreuses avec une grande surface de 6 x 6 cm2 ont été préparées. Les matériaux obtenus montrent une très bonne interconnéctivité avec une porosité ouverte et une surface active fortement augmentée ce qui se traduit électrochimiquement en une augmentation significative de la puissance du signal. Les matériaux poreux représentent un bénéfice non-seulement pour la (bio)électrosynthèse mais aussi dans le cadre de la (bio)électroanalyse. Dans ce mémoire, d’électrodes poreuses d’oxyde de ruthénium pour l’oxydation direct de NADH avec une surtension significativement améliorée ont été élaborée. La méthode de l’agrandissement de la surface est également appliquée et une meilleure densité de courant a été obtenue. Basé sur le projet ERUDESP, les méthodes apprises pour créer des électrodes poreuses à base de cristaux colloïdales ont dans la suite aussi été appliquées à d’autres domaines d’investigation. L’évolution méthodique de la technique de Langmuir-Blodgett a été utilisée pour le développement d’un système d’électrode renouvelable. Dans ce système, la surface peut être renouvelée sur commande par application d’un potentiel fixe (effet click).Les électrodes de l’oxyde de ruthénium ont non seulement été étudié dans le cadre du projet ERUDESP, mais la miniaturisation de ce matériau poreux et stable sous forme de microélectrodes a permis d’étudier une application comme capteur pH chimiquement et mécaniquement stable avec un meilleur ratio signal sur bruit. Dans ce cas le bruit thermique est diminué grâce à la porosité de l’électrode. Grâce à la technicité acquise par rapport à la synthèse des microélectrodes poreuses, des microélectrodes implantables pour les prothèses de main ont été aussi modifiées avec une couche macroporeuse pour augmenter la surface active et diminuer l’impédance de transition.Nous avons également exploré des couches multicatalyseurs macroporeuses de platine et nickel pour effectuer la génération d’hydrogène in-situ et l’hydrogénation simultanée dans un seul système catalytique.Comme dernière possibilité pour une structuration de surface contrôlée, des îlots de platine d’une étendue nanométrique furent examinées et biofonctionnalisées, ce qui résulte également en une augmentation significatif de la densité de courant
The present work has been prepared within the framework of the European project ERUDESP and describes the research that has been carried out during this work. A bioreactor as a bioelectrochemical flow-cell was designed and realized with the goal to serve for enantiopure bioelectrosynthesis. The work deals with the cell design and screening of different mediators in a batch-cell and multi-cells, the development of different electroorganic and electroenzymatic reactions in an electrochemical batch- and flow-cell. With respect to the flow-cell, the upscaling of electrochemical reactions was carried out in the present work not only for electroorganic but also for electroenzymatic reactions with regard to the final application. A main focus of the present work represents the synthesis of three-dimensional macroporous electrodes in order to increase significantly the active surface. These macroporous structures were obtained by using the template approach. For the preparation of the templates monodisperse polystyrene particles were synthesized in different ways, and then used for the preparation of colloidal crystals serving as templates. As controlled assembly procedures, the Langmuir-Blodgett technique and the controlled evaporation method with subsequent electrodeposition of metals and metal oxides were chosen. With the present process the pore diameter could be exactly controlled by the diameter of the used particles. The approach of the Langmuir-Blodgett technique has been extended and optimized. For the first time, the Langmuir-Blodgett technique could be used with polystyrene particles. The deposition took place in the interspaces of the prepared colloidal crystals and is followed by the dissolving of the particles. Furthermore, the size of the porous electrodes could be upscaled (6 x 6 cm2). The obtained materials showed a very good interconnectivity with an open porosity and a highly increased active surface, which led to an increased electrochemical signal. The prepared porous materials represent a great benefit not only for (bio)electrosynthesis but also in the field of (bio)electroanalysis. In the framework of this work, the use of porous ruthenium oxide electrodes for direct oxidation of NADH with a significantly improved overvoltage was studied. Also in this context the increase of the surface led to an improved current density. Based on the ERUDESP project, the studied techniques for preparing porous electrodes with colloidal crystals were used for further scientific studies. The new variant of the Langmuir-Blodgett technique has also been used for the elaboration of a renewable electrode system where the surface can be simply renewed by applying a positive potential to the porous multilayers (click effect). The porous ruthenium oxide electrodes have not only been studied with respect to the ERUDESP project, but it was also possible to miniaturize this stable porous material as microelectrodes and use them as chemically and mechanically stable pH sensor with an improved signal to noise ratio. In this case the thermal noise decreased due to the porosity of the electrode. Due to the acquired expertise in the field of the preparation of porous microelectrodes, implantable microelectrodes for hand prosthesis were modified with a porous layer on the surface for increasing the active surface and decreasing their impedance.In addition, macroporous multicatalyst layers of platinum and nickel were synthesized for the simultaneous in-situ generation of hydrogen and hydrogenation reaction in the same catalyst system.As a final example for controlled surface structuring, nanoscale platinum islands were in detail examined and biofunctionalized. This led also to a significant increase of the current density

L'enjeu de ce travail de thèse a été de réaliser des couches minces puis des couches épaisses non poreuses du titanate de lithium et de lanthane de formule Li3xLa2/3-xTiO3 (LLTO). Ce composé est l'un des meilleurs conducteurs ioniques solides connus actuellement. Sa conductivité, σ = 10-3 S cm-1 à 25 °C, est assurée essentiellement par les ions Li+. Pour ce faire, il a été nécessaire de choisir et de mettre au point une méthode de synthèse de chimie en solution afin de pouvoir réaliser des films sur un substrat approprié. La méthode EISA (Evaporation Induced Self-Assembly) a été utilisée, mais les films (250 nm) sont très poreux et pourraient trouver une application pour des capteurs de gaz. Pour l'application capteurs de pH ou électrode de référence, des films denses sont nécessaires. Pour les obtenir, le procédé DATEC a été employé. Les films sont réalisés à partir d'une solution composite formée des poudres céramiques dans une solution sol-gel des précurseurs. Des couches denses de LLTO de plusieurs microns ont pu être obtenues. Ces matériaux s'avèrent très intéressants en tant qu'électrode de référence totalement solide
The thesis challenge was based first on the realization of thin coatings, then of thick and no porous coatings of lithium lanthanum titanates of the series Li3xLa2/3-xTiO3 (LLTO). This oxide is a fast Li+ conductor with an ionic conductivity of σ = 10-3 S cm-1 at 25 °C. At first, a solution chemistry synthesis was chosen and developed to prepare coatings of LLTO on an appropriated wafer. The EISA (Evaporation Induced Self-Assembly) method was used, but these coatings (250 nm) are very porous and could find an application for gas sensors. For pH sensors or reference electrode applications, thick and non porous coatings are required. The DATEC process was used in this context. These films were realized with a slurry composition having ceramic powders and precursors sol-gel solution. LLTO thick coatings (10 μm) were obtained. These new materials are very interesting for an all-solid-state reference electrode

Les matrices de microélectrodes sont des puissants outils de recherche pour les neurosciences. Elles sont utilisées aussi bien pour les études fondamentales de la compréhension des échanges d'informations au sein de réseaux neuronaux que pour la réalisation de neuroprothèses. L'optimisation de ces systèmes demande la mise au point de microélectrodes biocompatibles et de faible impédance électrochimique. Les nanotubes de carbone et le diamant sont deux matériaux utilisés pour atteindre ces objectifs. Dans ces travaux de thèses ces derniers sont couplés pour bénéficier de leurs excellentes propriétés. Ce travail se divise en trois grands axes. Le premier consiste à développer une nouvelle méthode d'ancrage des nanotubes de carbone en enterrant leur base dans du diamant nanocristallin. Ce fort ancrage a pour but d'éviter toute dispersion des nanotubes pouvant conduire à des problèmes de toxicité . Dans un deuxième temps, des matrices de microélectrodes entièrement constituées de diamant ont été réalisées. Leurs propriétés électrochimiques ont été comparées à celle de microélectrodes recouvertes de nanotubes. Enfin des études préliminaires de la biocompatibilité du diamant nanocristallin et des nanotube de carbone ont été menées in-vivo et in-vitro.

Le diamant est un matériau fascinant avec d'exceptionnelles propriétés physiques. Son application à divers domaines reste limitée parce que sa fabrication est difficile et nécessite des substrats et conditions spécifiques. En outre, les dispositifs de diamant tels que les capteurs nécessitent généralement la structuration et l'échelle micro ou nanométrique, et l'inertie chimique du diamant rend ce processus technologique plus difficile que celui des semiconducteurs réguliers. Il s'agit d'un besoin évident de la recherche fondamentale d’explorer de nouvelles façons de fabriquer des nanostructures de diamant, ce qui permet de nouvelles formes de capteurs et dispositifs. Dans ce contexte, le travail présenté est d'une grande importance pour la communauté de diamant et pour le développement futur de la technologie du diamant.Le manuscrit est divisé en huit parties: une introduction; 6 chapitres, une conclusion générale. Dans l'introduction le contexte de l'étude est brièvement présenté avec les deux objectifs. Le premier consistait à étudier la croissance des nanofils de diamant et à trouver des conditions appropriées pour obtenir des nanofils de façon reproductible. Le deuxième objectif était la mise au point du procédé de gravure du diamant avec des particules de catalyseur et de l'optimisation des paramètres du procédé.Le premier chapitre de ce manuscrit présente tout d'abord l'état de l’art en mat ière de propriétés et des technologies de croissance du diamant. Puis, dans le deuxième chapitre, en vue de la croissance des nanofils et des études de gravure de nanostructures utilisées catalyseurs métalliques, la base de l'interaction métal-carbone est présenté.Le chapitre trois contient l'instrumentation et principe de fonctionnement des techniques expérimentales et analytiques utilisées dans cette étude. Le chapitre suivant se concentre sur la recherche de conditions favorables à la croissance des nanofils de diamant, d'abord en étudiant en détail un processus signalé en 2005 qui a conduit à la nucléation des nanocristaux sur des nanotubes de carbone, puis la croissance de nanofils.Les conditions de croissance ont été soigneusement reproduites, sans succès reproductible. Il en est déduit déduit que d'un élément non a contribué à la croissance, comme une contamination du catalyseur. La combinaison avec le fait que le processus publiée en 2005 n'a jamais été reproduite, en dépit de son importance technologique élevé, ce qui suggère que la contamination s'est produite également dans cette oeuvre originale.Puis, à partir de cette première observation, l'effet d'un catalyseur a été étudié, et des résultats intéressants ont été obtenus. Les nanofils ont été obtenus de façon reproductible, mais le point important est que les nanofils à base de silicium sont très faciles à cultiver, et qu'un environnement deCarbone pur était nécessaire d'étudier la croissance de nanofils de carbone. Dans ces conditions, un continuum allant de diamant de gravure pour la croissance du diamant a été obtenue en fonction de l'apport de carbone, très intéressant pour la technologie du diamant. Dans le cinquième chapitre du mécanisme de gravure de diamant par des particules de catalyseur est explorée. La gravure à motifs a été proposée pour la fabrication de nano-ou micro-structures dans le diamant, et il est présenté dans la dernière partie de ce chapitre. Le chapitre 6 présente deux applications intéressantes du processus dedéveloppement. Les premières membranes poreuses préoccupations utilisés comme bio-capteurs, et les nanotubes de carbone second concerne la base neuro-capteurs.Malgré l'étude infructueuse de la croissance du diamant nanofil, le travail fait des progrès significatifs à la science de la croissance matérielle nanocarbone. Et elle a conduit à l'étude approfondie de gravure diamant, qui est également très important pour la technologie
One-dimensional structures with nanometre diameters, such as nanotubes and nanowires, have attracted extensive interest in recent years and form new family of materials that have characteristic of low weight with sometimes exceptional mechanical, electrical and thermal properties. Without any change in chemical composition, fundamental properties of bulk materials can be enhanced at the nanometre scale leading to extraordinary nanodevices.Since a few years, nanowires of different semiconducting materials have been grown. To mention few of these, Si, GaN, SnO, SiC and ZnO nanowires were all successfully demonstrated. However, the growth of diamond nanowires has not yet been demonstrated, despite the strong interest for this material. Bulk diamond combines various exceptional properties for a wide range of applications: Chemical inertness, radiation hardness, biocompatibility, high hole/electron mobility (2000/1000 cm2/V/s), high thermal conductivity (22 W/cm/K), wide bandgap (5.5 eV), and wide electric potential window (3.25 eV H-O evolutions).Since about 30 years, the growth of diamond thin film is well controlled either as insulator or as semiconductor with p- and n- type dopants. Fabrication of 25x25 mm2 monocrystalline diamond wafer has already been reported, and two inches wafers are expected in a couple of years demonstrating the growing interest for this material. Among present or short-term applications one can mention alpha-particle detectors, solar-blind UV sensors, high voltage electronic devices, bio-sensors and single photon source. The realization of nanowires should improve the performance of some of these devices and also open a range of new high performance applications.The stability of 0D (nanocrystals) and 1D (nanowires) diamond nanostructures has been extensively studied using ab initio modelling and indicates that for specific crystallographic orientations clusters of nanometric size are thermodynamically stable. One experimental indication for diamond nanowire growth has been published by Sun et al. in 2005, based on nanocrystal nucleation and growth on carbon nanotubes followed by 1D growth. This particular nucleation process on carbon nanotube has furthermore been explained theoretically in 2009.Based on these experimental and theoretical results, the first objective of this thesis was to explore the growth of diamond nanowire and find suitable conditions to obtain nanowires in a reproducible way. A wide range of process conditions were explored, first without any catalyst, then with metallic catalyst in order to promote Vapour-Liquid-Solid (VLS) growth. Although a comprehensive knowledge regarding carbon nanotube stability in hydrogen atmosphere and diamond-catalyst interaction has been obtained and some carbon nanostuctures were grown, no diamond nanowires were obtained in a reproducible way.However, the careful study of the diamond-catalyst interaction revealed a very interesting etching process that could be very useful for the fabrication of diamond nanostructures. A second objective was then defined: development of the etching process for diamond using transition metal as catalyst and optimization of the process parameters for specific applications such as the fabrication of porous diamond membranes for bio-sensors

Cette thèse a pour objectif d'améliorer les performances électrochimiques des dispositifs asymétriques C/MnO2 en formulant des oxydes de manganèse présentant des nano- ou mésostructures. Deux méthodes d’élaboration sont explorées. Le matériau mésoporeux est obtenu par réaction entre un agent structurant souple CTAP et divers alcènes A. L’impact des solutions colloïdales CTAP-A sur la texture et la microstructure de MnO2 a été étudié en proposant un modèle qui corrèle la dimension des agrégats avec le diamètre des pores de MnO2. Les performances du dispositif asymétrique sont aussi optimisées. Bien que l’emploi d’un agent structurant dur AAO n’ait pas permis d’élaborer directement un matériau d’électrode MnO2 performant, une microélectrode de MnO2 élaboré sur des nano-piliers de nickel électrodéposé sur AAO montre des propriétés électrochimiques concurrentes avec celles des microélectrodes actuelles. La bonne réponse en puissance élevée du dispositif asymétrique est due à l’excellente connexion entre les piliers et le matériau actif. Ce mémoire offre une meilleure compréhension sur la formation de MnO2 et présente des microélectrodes prometteuses pour les microsupercondensateurs
The aim of this thesis is to improve the electrochemical performance of C/MnO2 asymmetric devices by elaborating manganese oxides exhibiting nano- or mesostructures. Two preparation methods are proposed. A mesoporous material is obtained through the reaction of soft template CTAP with various A alkenes. The effect of CTAP-A colloidal solution on MnO2 texture and microstructure has been studied by establishing the relationship between aggregates dimension and pore diameter. Asymmetric devices performances can be optimized this way. Attempts to employ AAO as hard template for developing a performant MnO2 electrode were unsuccessful. Nevertheless, a MnO2 microelectrode containing the oxide on nickel nanowires electrodeposited on AAO provided excellent electrochemical performances, comparable with current microsupercapacitor electrodes. Asymmetric device energy retention with increasing power is good due to the excellent MnO2/nickel nanowires connection. This thesis offers insights on the MnO2 formation and proposes promising microelectrodes for microsupercapacitors

La croissance rapide des applications de l'Internet des Objets (IoT) a entraîné une augmentation de la demande de dispositifs de stockage d'énergie. Les micro-supercondensateurs (MSCs) sont apparus comme des candidats prometteurs pour les applications à débit rapide en raison de leurs densités de puissance élevées, de leurs capacités à haut débit, de leurs longues durées de vie et de leur nature respectueuse de l'environnement. Toutefois, le principal défi à relever pour généraliser l'utilisation des MSCs dans l'industrie est leur densité énergétique relativement faible. Pour résoudre ce problème, diverses solutions ont été explorées pour améliorer la capacité ou la tension de la cellule en jouant avec le type d'électrolytes utilisés, les matériaux d'électrodes et les topologies de dispositifs afin d'obtenir des MSCs à haute performance. Cette thèse se concentre sur l'étude des matériaux d'électrode en couche mince fabriqués par pulvérisation cathodique magnétron. Plus précisément, un alliage ternaire de nitrure de vanadium et de tungstène (VWN), le nitrure de ruthénium (RuN) et les électrolytes à l'état solide ont été étudiés en tant que matériaux d'électrode pseudocapacitifs efficaces. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet CAMISOL sélectionné par l'université de Lille dans le cadre du programme PEARL (Programme for EArly-stage Researchers in Lille) cofinancé par la Commission Européenne, dont la motivation était de fabriquer des micro-supercondensateurs asymétriques (AMSCs) à base de VN (ou VWN) // RuN à l'état solide. Des films minces de VWN ont été synthétisés en utilisant une approche de co-pulvérisation ou de multi-couches nanométriques, démontrant d'excellentes performances qui défient les meilleurs matériaux multicatoniques rapportés pour les condensateurs électrochimiques. Des techniques avancées de cartographie à l'échelle du wafer ont été employées pour corréler les propriétés structurales, électriques, mécaniques et électrochimiques des films avec les paramètres de dépôts utilisés. Cette approche offre de nouvelles perspectives et fournit un outil de caractérisation puissant pour la prochaine génération de matériaux électrochimiques fabriqués à l'Université de Lille avec des méthodes de dépôt de couches minces.Dans la partie suivante, les films RuN ont été étudiés en tant que matériaux d'électrode efficaces, et une preuve de concept pour des MSC asymétriques VN // RuN à l'état solide a été présentée. Les paramètres de pulvérisation ont été soigneusement optimisés pour maximiser la porosité du film tout en maintenant une conductivité électrique élevée. Diverses techniques avancées ont été employées pour révéler la complexité de la structure et du mécanisme de stockage de charge des films RuN. Grâce à la fenêtre de travail complémentaire des films VN et RuN dans un électrolyte aqueux KOH 1M, la tension de cellule du dispositif AMSC VN // RuN a été considérablement augmentée, atteignant jusqu'à 1,15 V. Par conséquent, l'AMSC VN // RuN a démontré l'une des densités d'énergie les plus élevées rapportées jusqu'à présent pour les AMSCs basées sur des films minces de nitrure de métal de transition. Enfin, l'étude de l'utilisation d'un électrolyte à l'état solide, d'un électrolyte hydrogel PVA/KOH et de liquides ioniques dans la fabrication d'AMSC à l'état solide a été présentée
The rapid growth of Internet of Things (IoT) applications has led in an increased demand for energy storage devices. Micro-supercapacitors (MSCs) have emerged as promising candidates for high-speed applications due to their high-rate capabilities, long cycle life and environmental friendliness. However, the main challenge to be addressed for the widespread industrial use of MSCs is their relatively low energy density. To address this issue, various solutions have been explored to increase the capacitance or the cell voltage by playing with the electrolyte used, electrode materials and device topologies to achieve high-performance MSCs. This work focuses on the investigation of thin film electrode materials prepared by magnetron sputtering deposition. In particular, vanadium tungsten nitride (VWN) and ruthenium nitride (RuN) have been investigated as efficient pseudocapacitive electrode materials. This work was carried out in the frame of the CAMISOL project selected by the Lille university through the PEARL program (Program for EArly-stage Researchers in Lille) cofunded by the European Commission, where the motivation was to fabricate solid-state VN (or VWN) // RuN asymmetric micro-supercapacitors (AMSC). VWN thin films were synthesized using co-sputtering and nanolaminate approaches and demonstrated excellent performance challenging the best multicatonic materials reported for MSCs. Advanced characterization mapping techniques were used to explore the correlation between the structural, electrical, mechanical, and electrochemical properties of the films. This approach offers new perspectives and provides a powerful characterization tool for the next generation of electrochemical materials fabricated by thin film deposition methods at Lille University.In the following part of the thesis, RuN films were investigated as efficient electrode materials, and solid-state VN // RuN AMSC was presented as a proof of concept. Sputtering parameters were carefully optimized to maximize the film porosity while maintaining high electrical conductivity. Various advanced techniques were employed to reveal the complexity of the structure and charge storage mechanism of RuN films. Taking advantage from the complementary working window of VN and RuN films in a 1M KOH aqueous electrolyte, the cell voltage of the VN // RuN AMSC device was significantly increased, reaching up to 1.15 V. As a result, the VN // RuN AMSC exhibited one of the highest areal energy densities reported so far for AMSCs based on transition metal nitride thin films. Finally, the study of the use of solid-state electrolyte, PVA/KOH hydrogel electrolyte and ionic liquids in the fabrication of all-solid-state AMSCs was presented