Development of an electrochemical sensor for the detection of nitrates in natural waters

Les effets sur l'environnement des nitrates (NO3-) dans les eaux naturelles sont directement liés à leur concentration. En effet, les nitrates sont indispensables aux écosystèmes, ils sont assimilés par les plantes et le phytoplancton pour se développer via la photosynthèse. Les nitrates sont donc limitant de la production primaire. Cependant, un rejet excessif de nitrate entraîne une pollution importante des eaux côtières et continentales par le processus d'eutrophisation. Afin de suivre la concentration en nitrates et de répondre aux besoins de données à haute résolution spatiotemporelle, des capteurs in situ, autonomes, adaptables sur différents types de plateformes et de véhicules sous-marins sont indispensable. A ce jour, les capteurs disponibles pour la détection in situ des nitrates n'offrent pas des performances satisfaisantes en termes de sensibilité, de sélectivité et de portabilité. Ce travail rentre dans le cadre du projet NESS : Nitrate Electrochemical SenSor, qui propose l'utilisation de méthodes électrochimiques pour la mesure des concentrations en nitrates dans les eaux naturelles sans traitement préalable de l'échantillon. La conception de nouveaux matériaux d'électrodes de travail est nécessaire afin d'atteindre les niveaux de sensibilité requis. Pour cela, deux stratégies sont étudiées : (i) la réalisation d'électrodes bimétalliques par électrodéposition de cuivre sur différents substrats métalliques, (ii) le traitement électrochimique de surface d'une électrode massive en cuivre. Les performances de toutes les électrodes formées sont évaluées en détectant les nitrates dans des matrices d'eau naturelles et artificielles.The environmental impact of nitrates (NO3-) in natural waters depends directly its concentration. Indeed, nitrates are essential to ecosystems, used by plants and phytoplankton to grow via photosynthesis. Availability of nitrates then limits primary production. However, an excessive discharge of nitrate leads to severe pollutions of coastal and continental waters (lakes, rivers) via eutrophication process. In order to monitor nitrate concentration and meet the needs of high spatial and temporal resolution data, in situ, autonomous sensors, adaptable on different types of platforms and under water vehicles are the key. So far, the sensors available for in situ detection of nitrates are not providing satisfactory performances in terms of sensitivity, selectivity and portability. This work is part of the NESS: Nitrate Electrochemical SenSor project, which proposes the use of electrochemical methods for the measurement of nitrate concentrations in natural waters without prior treatment of the sample. The design of new working electrode materials is necessary in order to achieve the sensitivity levels required. For this purpose, two strategies are studied: (i) the realisation of bimetallic electrodes by copper electrodeposition on different metallic substrates, (ii) the electrochemical surface treatment of a massive copper electrode. The performance of all formed electrodes are evaluated by detecting nitrates in natural and synthetic water matrices