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Submitted on 16 May 2020
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Nouveau capteur de pH pour l’analyse de l’eau
S. Chebil, M.O. Monod, P. Fisicaro, R. Champion, P. Faure
To cite this version:
S. Chebil, M.O. Monod, P. Fisicaro, R. Champion, P. Faure. Nouveau capteur de pH pour l’analyse
de l’eau. Journées d’Électrochimie 2013, Jul 2013, Paris, France. 2013. �hal-02600002�
NOUVEAU CAPTEUR DE pH POUR L’ANALYSE DE L’EAU NOUVEAU CAPTEUR DE pH POUR L’ANALYSE DE L’EAU
S. Chebilb, M.O. Monoda, P. Fisicarob, R. Championb, P. Faurea
a IRSTEA, UR TSCF, 24 avenue des Landais BP 50085 63172 Aubière Cedex
bLNE, Département de Chimie Inorganique, 1 rue Gaston Boissier 75724 Cedex 15
Dans le projet ANR SapHire, il a été proposé de développer une approche innovante de la mesure du pH. Les partenaires du projet, IRSTEA (Institut national de recherche en sciences et technologies pour l’environnement et l’agriculture) et le LNE (Laboratoire national de métrologie et d’essais) appartiennent au réseau AQUAREF qui renforce l’expertise française dans le domaine de la surveillance des milieux aquatiques. Les objectifs du projet s’inscrivent dans la Directive Cadre Européenne d'octobre 2000 (DCE) et la loi sur l’eau de 2006 qui ont établi un cadre législatif pour la protection de la ressource en eau.
L’application de ces directives pousse de nombreux secteurs à s’organiser et à innover, notamment le secteur de recherche de nouveaux capteurs pour l’analyse de l’eau toujours plus robustes nécessitant le moins possible d’interventions sur site. Des travaux ont été entrepris pour trouver un matériau conducteur plus sensible au pH, sachant que la réglementation sur les eaux de consommation fixe entre 6.5 et 9 la gamme de pH définissant une eau potable. Nous présentons ici les premiers résultats des recherches réalisées à partir d’un polymère organique conducteur, le polypyrrole, déjà identifié par des travaux récents comme un candidat potentiel à l’élaboration de nouveaux capteurs de pH.
ELABORATION D’UN NOUVEAU MATERIAU A BASE DE POLYPYRROLE ET SA CARACTERISATION
•Synthèse électrochimique du pyrrole
Méthode électrochimique:
Chronoampérométrie Conditions de synthèse:
- Anions dopants: ClO4-et HPO42- -Solvant : Eau
- Potentiel imposé : 0.755 V vs Ag/AgCl - Charge imposée: 40 mC/cm2 Substrats:
Nickel et Carbone vitreux
0 100 200 300 400 500
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
Eimposé = 0.755 V vs Ag/AgCl Qimposée = 40 mC/cm2
J / mA.cm-2
t / s Nickel C vitreux
•Caractérisation par Microscopie Electronique à Balayage Synthèse sur Or, Platine et C
vitreux[1]
Synthèse sur Nickel
Nanofils de PPy Micro-escargots de PPy
[1] C. Debiemme-Chouvy, Electrochemistry communications, 2009, 11, 298-301
•Caractéristiques des Micro-escargots de Polypyrrole « µ@Ppy »
Par Voltammétrie Cyclique:
d(µ@PPy) ~ 2 µm
+
−+
↔ PPy H
PPyH @
@ µ
µ
] 1 ) /(
)
log[(@ − @ − @ −
+
= µPPyH µ PPy− µPPy−
a pH i i i i
pK
≈ pKa(µ@Ppy 5) ≈7
MEB
PERFORMANCES DES MICRO-ESCARGOTS DE POLYPYRROLE (µ@Ppy) EN TANT QUE CAPTEUR PH
•Gamme de pH, sensibilité, et reproductibilité
4 5 6 7 8 9 10
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300
E / mV vs Ag/AgCl
pH Sonde: µsnail PPy t(poly) = 600 s
E = 492,90 - 58,86 pH
T° = 24,96 (±±±±0,46) α
ααα= 58,86 (±±±±0,27 ) mV/pH (R = - 0,99999)
Réponse potentiométrique linéaire dans la gamme de pH comprise entre 4 et 10
⇒Sonde pH applicable aux eaux de consommation humaine
Valeur de la pente mesurée très proche de la valeur théorique à T = 25°C
⇒αexp= 58.86 mV/pH et
Mesures reproductibles sur 5 électrodes de Nickel modifiées par les µ@PPy
⇒écart type relevé: 0.27 mV/pH
pH F V
RT
th=2.3 =0.0592 / α
F pH E RT
EInd= Ind0 −2.3 ( )
−
=
−
= log + log +0 +
m a m
pH H H H
γ
•pH des eaux minérales naturelles
EAU T /°C pH mesuré par µ@PPy EVIAN 25.4 7.207 VOLVIC 25.4 7.108 M.ROUCOUS 25.4 5.809
•Stabilité du nouveau capteur pH
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
-70 -68 -66 -64 -62 -60 -58 -56 -54 -52 -50
αααα / mV.pH-1
t / mois NfPPy8
1 2 3 4 5
-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40
αααα / mV.pH-1
t / mois O PPy 10
1 2 3 4 5
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40
αααα / mV.pH-1
t / mois NfPPy 3
Stable Stable Stable
Zone d’incertitude Valeur théorique
4 5 6 7 8 9 10
-100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350
E / mV vs Ag / AgCl
pH 15/01/2013 (T = 25.37°C) 12/03/2013 (T = 24.90°C) 17/05/2013 (T = 25.00°C) E = 512.22 - 60.81 pH E = 505.83 - 57.60 pH E = 547.32 - 60.09 pH
Un nouveau matériau issu de la synthèse électrochimique du polypyrrole a été développé, qui présente une morphologie micrométrique baptisée «µ-snails ».
Le µ@Ppy a montré, dans des conditions contrôlées en température, une réponse potentiométrique nernstienne sur une plage de pH de 4 à 10.
Ces premiers résultats permettent de conclure que ce matériau est un bon candidat comme capteur de pH, notamment pour les applications visées telles que l’analyse des eaux naturelles.
La stabilité du capteur dans le temps a été démontrée sur une période de 4 mois
oTravaux de modélisation pour expliquer le mécanisme de croissance des µ-snails de polypyrrole.
oCaractérisation complémentaire par d’autres méthodes: spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), Spectroscopie Infrarouge (ATR), Spectroscopie des photons X (XPS).
oEtude de la sélectivité du nouveau capteur
Journées d’Électrochimie 2013, 8-11 Juillet 2013, Paris
