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25/11/2022 - Abdelghani GHANAM

par Arnaud Lelevé, Laurent Krähenbühl - publié le , mis à jour le

Abdelghani GHANAM soutient sa thèse le 25/12/2022
Lieu : Université Hassan II de Casablanca, Faculté des Sciences et Techniques, Mohammedia, Maroc

Elaboration de capteurs électrochimiques pour la détection des polluants émergents en phase aqueuse

Jury :
Rapporteurs : GORGY, Karine (Univ. Grenoble Alpes) ; BRETT, M.A. Christophe (Univ. de Coimbra)
Examinateurs : IDRISSI, Laila (Univ. Hassan II. Casablanca) ; JAMA, Charafeddine (Univ. Centrale de Lille) ; LAURENCEAU,Emmanuelle (Ecole Centrale de Lyon)
Invité : HADDOUR, Naoufel (Ecole Centrale de Lyon)
Encadrement Ampère : AMINE, Aziz (Univ. Hassan II. Casablanca) ; BURET, François (Ecole Centrale de Lyon)

Résumé :
L’industrialisation rapide et l’augmentation de la population sont aujourd’hui les principales causes des problèmes énergétiques et environnementaux liés à l’assainissement. Les technologies de traitement des eaux usées conventionnelles (stations de traitement, STEP) sont gourmandes en énergie et en coûts. De plus, les STEP ne sont pas assez qualifiées pour le traitement des contaminants non biodégradables (antibiotiques, métaux lourds…). Un rejet hautement toxique peut perturber les processus biologiques traditionnels des STEP. La surveillance en temps réel de la qualité des eaux usées joue donc un rôle crucial dans le bon fonctionnement des STEP. Dans ce contexte, la présente thèse vise le développement de nouveaux (bio)capteurs auto-alimentés basés sur la technologie des piles à combustible organique. Des (bio)capteurs, généralement, offrent l’avantage d’être à la fois des outils pour traiter l’eau, produire de l’énergie et surveiller en temps réel la (bio)toxicité dans les eaux usées. Premièrement, des catalyseurs abiotiques à base de palladium et d’or ont été synthétisés et testés vis-à-vis la réaction d’électrooxydation du glucose (ROG) dans un milieu neutre (pH = 7.4). Une méthode électrochimique simple et rentable a été utilisée pour déposer les catalyseurs sur la surface des électrodes sérigraphiées modifiées avec des nanotubes de carbone (NTC). Les résultats obtenus ont montré que la forme et la taille des catalyseurs métalliques ont un effet significatif sur l’activité électrocatalytique envers l’ROG. Et grâce aux propriétés intrinsèques de chaque catalyseur métallique individuel, les deux catalyseurs ont montré un effet synergique. L’anode offrant la plus grande sensibilité vis-à-vis du glucose a été choisie comme anode dans une configuration de pile à combustible non enzymatique à glucose (n-EFC) sans membrane. L’anode a été ensuite connectée à une cathode à air composée d’un tissu de carbone recouvert de Pt pour l’électroréduction de l’oxygène. Cette pile abiotique a montré qu’une densité de puissance maximale de 129 ± 11 µW.cm-2 à 20 mM de glucose a été atteinte. Cette pile pourrait être une alternative aux coûteuses enzymes naturelles dans des applications de piles à combustible direct du glucose. Deuxièmement, l’optimisation de certains paramètres de fonctionnement des piles à combustible microbiennes (PACM) est essentielle pour atteindre une meilleure performance. Ainsi, l’anode 3D de feutre de carbone (FC) vierge a été soumise à différents modes de traitement, y compris le traitement acide et thermique ainsi que l’enrobage avec des nanofibres de carbone (CNF) hautement conductrices. L’anode vierges FC a fourni une puissance plus élevée, offrant de grandes perspectives pour améliorer les performances des PACM avec un cout de matériau réduit. Ces anodes ont ensuite été utilisées dans une architecture innovante des PACM, fabriquée au laboratoire Ampère, pour étudier le matériau de cathode. Aussi, une nouvelle stratégie pour la fabrication de cathodes à air a été proposée, utilisant un spray PTFE pour élaborer des couches de diffusion d’air sans carbone. Avec cette architecture de PACM, on peut avec la même PCAM et le même biofilm : (1) caractériser différents matériaux de cathode sans endommager ou perturber le biofilm développé à l’anode ; (2) optimiser différents paramètres (distance inter-électrodes, nombre d’anodes et de cathodes, etc.). Finalement, des biocapteurs autoalimentés à base des PACM ont été proposés pour la détection en temps réel d’une biotoxicité dans les eaux usées. La sélectivité et la sensibilité des biocapteurs ont été améliorées en adaptant les biofilms anodiques au polluant ciblé. Le sulfate de néomycine (NS) et les ions Pb2+ ont été utilisés comme modèles de toxicité. L’utilisation de biofilms adaptés aux polluants pourrait être une nouvelle approche pour améliorer la spécificité des biocapteurs basés sur les PACM.

Mots-clés :
Glucose, Catalyseur non enzymatique, Electrodéposition, Carbone nanotube, Pile non enzymatique, Sans membrane, Pile à combustible bactérienne, Bactérie, Cathode à air, Feutre de carbone, Biofilm, Modification de l’anode, Biofilm adapté, Biocapteur de toxicité



Voir en ligne : https://theses.hal.science/tel-04018095