Chapitre IV : Influence de la phase carbonée sur les propriétés électrocatalytique des électrodes
IV. Influence des formes allotropiques du carbone pour la détection du Pb(II)
Dans cette partie détection, nous avons choisi d’adopter le protocole d’électro-analyse du plomb mis au point dans les travaux de Sarra Bouden [28]. Cette étude a pour objectif de comparer les propriétés de chaque famille d’électrodes fonctionnalisées par la 4-ABA pour la détection d’un micropolluant de type cation métallique.
IV.1 Protocole expérimental
Le protocole expérimental de la détection du Pb(II) consiste à complexer ces ions pendant 5 min dans une solution tampon d’acétate d’ammonium (CH3COONH4 0,05 mol.L-1 (pH7)) contenant du Pb(II) à différentes concentrations. Après rinçage, les électrodes sont introduites dans la cellule d'analyse contenant du CH3COONH4 0,05 mol.L-1 libre de cations métalliques. Le Pb(II) est réduit en Pb(0) par l'application d'un potentiel de -1,4V/ECS pendant 5s réalisé par chronoampérométrie. La détection est réalisée à la suite par l'application d'une voltampérométrie à vague carrée (SWV) (amplitude d’impulsion : 25mV, pas : 4mV, fréquence : 100Hz) entre les potentiels de -1 et 0,1V/ECS.
IV.2 Détection
L'étude de la détection est réalisée en deux étapes. La première partie consiste à comparer l'ensemble des électrodes greffées dans les paragraphes précédents par 4-ABA pour la détection du Pb(II) à une concentration relativement élevée de 10-5mol.L-1. Cette étape permet d'une part de comparer l'ensemble des électrodes avec un signal de détection bien visible et d’autre part de sélectionner les électrodes qui semblent les plus intéressantes pour la suite de l'étude. La seconde partie consiste à étudier l'influence de la concentration du Pb(II) lors de sa détection sur les électrodes de SPE-ICMN, GCE, SPE CNT et SPE-GPH, avec pour objectif de connaître leurs limites de détection. La figure IV-7 présente les voltampérogrammes de la détection du Pb(II) sur les différentes électrodes pour des concentrations de 10-5 mol.L-1.
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Fonctionnalisation électrochimique de matériaux carbonés : application à la détection de micropolluants métalliques : nickel et plomb
Figure IV-7 : Détection de Pb(II) sur, ICMN, GCE, NTC, CNF, MC, SPE-GPH greffée par 4-ABA à une concentration de10-5 mol.L-1, dans une solution d’acétate d’ammonium 0,05 mol.L-1 100mV/s(pas de potentiel de 4mV, amplitude de 20mV et fréquence
de 25Hz).
Les intensités des pics de détection du Pb (II) à 10-5 mol.L-1 obtenus sur les différentes électrodes ont été reportées dans le tableau IV-4.
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Fonctionnalisation électrochimique de matériaux carbonés : application à la détection de micropolluants métalliques : nickel et plomb Table IV-4 : Intensité des pics de détection pour les différentes électrodes greffées étudiées.
Cette étude montre qu’il existe une grande différence d'intensité de pic de détection du Pb(II) entre les électrodes. Les électrodes commerciales permettent d’obtenir, pour cette concentration, des intensités de pics nettement supérieures aux électrodes réalisées au laboratoire à l’exception des électrodes de SPE-GPH. Cette différence peut être attribuée à différents points notamment la surface des électrodes. Les électrodes commerciales ayant une surface active supérieure aux électrodes réalisées au laboratoire (comme montré précédemment), le nombre de fonctions carboxyliques à la surface de l’électrode susceptibles de complexer le Pb(II) est plus important. La présence d'une plus grande quantité de fonctions complexantes peut expliquer la présence d’une concentration plus élevée de polluant en surface des électrodes et donc une intensité plus élevée.
Dans le cas des électrodes SPE CNF, SPE MC et SPE GPH, il a été montré précédemment que ces électrodes sont susceptibles d’être greffées par une couche moins dense, ce que peut expliquer des performances plus faibles que pour les électrodes SPE-CNT. Enfin, les électrodes réalisées au laboratoire présentent une surface active plus faible ce qui explique leurs faibles intensités de pics.
Pour la suite de l’étude, le travail s’est focalisé sur les électrodes de CNT et SPE-GPH (électrodes commerciales) qui ont obtenu les intensités de pics les plus importantes et plus faibles pendant la détection du Pb(II) à la concentration de 10-5 mol.L-1 pour comparaison avec les électrodes GCE et SPE ICMN. Sur la figure IV-8, la détection est effectuée pour une concentration en Pb(II) comprise entre 10-5 mol.L-1et 5.10-8 mol.L-1 dans une solution d'acétate d'ammonium 0,05 mol.L-1 (pH7).
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Figure IV-8 : Détection de Pb(II) sur, SPE-ICMN, GCE, SPE-CNT, SPE-GPH greffée par 4-ABA à une concentration de (a)10-5 mol.L-1, (b) 10-6 mol.L-1, (c) 10-7 mol.L-1, (d) 5.10-8 mol.L-1 dans
une solution d’acétate d’ammonium 0,05 mol.L-1 100mV/s (pas de potentiel de 4mV, amplitude de 20mV et fréquence de 25Hz).
La figure IV-8 (a,b,c,d) reprend l’évolution de la détection sur les quatre électrodes sélectionnées pour quatre concentrations différentes.
La figure IV-8 b), présente la détection du Pb(II) à une concentration de 10-6 mol.L-1. Premièrement, il faut noter que les électrodes SPE-GPH ne permettent pas la détection du Pb(II) à cette concentration. Cela est dû au fort courant résiduel de ces électrodes qui limite la détection pour les faibles concentrations. Deuxièmement, un décalage de potentiel entre les pics de détection pour les électrodes SPE-CNT et les électrodes SPE-ICMN et GCE est mis en évidence. Ce décalage est probablement dû à l'effet catalytique des CNT qui facilitent la
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David PALLY
réoxydation du plomb et explique le potentiel moins anodique du pic. Cette figure montre aussi que les électrodes SPE ICMN et CNT possèdent des pics de détection du même ordre de grandeur.
Pour les concentrations en plomb les plus faibles 1.10-7 et 5.10-8 mol.L-1 présentées sur les figures IV-8 (c) et (d), les électrodes SPE-ICMN donnent les meilleurs signaux. En accord avec les résultats à 10-6 mol.L-1, aucun pic n’est observé pour les SPE-GPH. Les électrodes SPE-CNT présentent un pic de contamination à -0,53V/ECS qui correspond sans doute au catalyseur métallique présent sur les CNT et observés au MET. Cette contamination, même si elle n’est présente qu’en faible quantité, peut interférer avec les concentrations extrêmement faibles de l’ordre du ppm de micropolluants à détecter. Ce résultat décevant obtenu pour les SPE-CNT s’explique peut-être aussi par un courant résiduel important qui est visible sur les voltammogrammes bruts même s’il n’apparait pas sur les voltampérogrammes traités de la figure IV-8.
Dans la littérature, les électrodes Dropsens sont utilisées pour la détection des cations métalliques comme le Pb(II). Elles sont fonctionnalisées par des espèces comme le Glutation et permettent d’atteindre des limites de détection de 80µg.L-1 (soit 4.10-7mol.L-1)[118], ou encore dans le cas des SPE-CNF, 3 µg.L-1 (soit 1,5 10-8 mol.L-1) [347]. On rappelle que les limites de détection atteintes avec les SPE ICMN pour la détection et de quantification de Pb(II) sont de 1,2 10-9 mol.L-1 et 4,1 10-9 mol.L-1.