Étude d'un capteur de gaz potentiométrique. Influence et rôle des espèces oxygénées de surface sur la réponse électrique

Président : M. Michel Soustelle Rapporteurs : MM. Jean-Louis Robert, Jean Rouquerol Examinateurs : Mmes Laura Montanaro, Elisabeth Siebert MM. Alain Rives, René Lalauze, Christophe PijolatThis work joins in the continuance of two theses presented by E. Fascetta in 1993 and C. Pupier in 1999 which were dedicated to the study of an original potentiometric gas sensor. Contrary to the classical potentiometric gas sensors, this one is made with two different electrodes set in the same gas atmosphere. These works gave place to important technological developments and allowed to propose the bases of an electrochemical model able to better interpret the influence of gases such as the oxygen on the sensor response. Our work thus consisted to better study the phenomena that are at the origin of the electrical response of this sensor and to optimize its functioning for various applications. The first part of this work concerns the physico-chemical characterization of the species that intervene in the creation of the electrical signal and in particular the study of the exact role of the oxygen. For that purpose, we used techniques usually employed for the study of the gas-solid interactions such as calorimetry and surface-potential measurements. Then, we studied the importance of the choice of materials used as well as influences of characteristic parameters such as the nature and the size of electrodes on the electrical response of the sensor. All these results were then used to propose an electrochemical mechanism allowing better understanding of the phenomena that give rise to the electric signal. This model was confronted with the experimental results concerning the influence of the oxygen pressure and the temperature, then it was extent to the action combined by the temperature, the pressure of oxygen and a reducing gas : carbon monoxide.Ce travail s'inscrit dans la continuité de deux thèses présentées par E. Fascetta en 1993 et C. Pupier en 1999 qui ont été consacrées à l'étude d'un capteur de gaz potentiométrique original. Contrairement aux capteurs potentiométriques classiques, celui-ci a la particularité de disposer de deux électrodes différentes disposées dans la même atmosphère gazeuse. Ces travaux ont donné lieu à d'importants développements technologiques et ont permis de jeter les bases d'un modèle électrochimique à même de mieux interpréter l'influence de certains gaz tels que l'oxygène sur la réponse du capteur. Notre démarche a donc consisté à approfondir la compréhension des phénomènes qui sont à l'origine de la réponse électrique de ce capteur afin d'en optimiser le fonctionnement pour les différentes applications visées. La première partie de ce travail concerne la caractérisation physico-chimique des espèces qui interviennent dans la création du signal électrique et en particulier l'étude du rôle exact de l'oxygène. Pour cela, nous avons fait appel à des techniques usuellement utilisées pour l'étude des interactions gaz-solide telles que la calorimétrie et les mesures de potentiel de surface. Ensuite, nous avons étudié l'importance du choix des matériaux utilisés ainsi que l'influence de paramètres caractéristiques tels que la nature et la taille des électrodes sur la réponse électrique du capteur. Tous ces résultats ont alors été exploités pour proposer un mécanisme complet permettant d'expliciter les phénomènes qui interviennent dans l'apparition du signal électrique. Ce modèle a été confronté aux résultats expérimentaux concernant l'influence de la pression d'oxygène et de la température, puis il a été étendu à l'action combinée de la température, la pression d'oxygène et d'un gaz réducteur, le monooxyde de carbone