Thèse Capteurs de Gaz à Base des Heterostructures 2D pour la Surveillance de la Qualité de l'Air H/F

École polytechnique

Établissement : École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : LPICM - Laboratoire des Interfaces et des Couches Minces
Direction de la thèse : Fatima BOUANIS
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-29T23:59:59

Les matériaux 2D apparaissent comme une alternative prometteuse pour le développement de capteurs innovants et performants pour la détection de NH, grâce à leurs propriétés exceptionnelles, notamment une grande surface active et une conductivité élevée. Ces caractéristiques ouvrent la voie à des capteurs plus sensibles, sélectifs et économes en énergie (1). Bien que largement étudiés, les capteurs de NH à base des nanomatériaux 2D présentent encore des limitations majeures, telles qu'une sensibilité restreinte, une sélectivité insuffisante et des temps de réponse prolongés. L'optimisation de ces dispositifs reste donc essentielle pour aboutir à des capteurs performants, capables de détecter des concentrations très faibles de NH et fonctionnels à température ambiante (TA). Cette proposition vise à développer des capteurs chimiorésistifs à base d'hétérostructures 2D (MXène/graphène ou MXène/WS), présentant à la fois une sensibilité et une sélectivité élevées pour la détection du NH à très faibles concentrations (1-10 ppb) et à température ambiante. Nous avons récemment rapporté la synthèse de matériaux 2D de haute qualité cristalline, via une approche simple, efficace et scalable, permettant le dépôt de nanomatériaux sur des substrats flexibles comme rigides (3, 8-9). Divers capteurs de gaz à base de ces matériaux 2D ont été développés pour la détection de NO, NH et de composés organiques volatils (COV) (3, 4-5). Afin d'améliorer les performances de ces capteurs, notamment en termes de sensibilité, de temps de réponse et de remise à zéro, nous proposons d'étudier la combinaison des propriétés de deux matériaux 2D afin de concevoir un capteur de NH à hautes performances.

Dans cette thèse, les objectifs sont les suivants :

1. Développer de nouveaux capteurs de NH portables, miniaturisés et faciles à utiliser, basés sur des hétérostructures 2D ;

2. Intégrer les capteurs chémirésistifs de NH fabriqués à un système électronique flexible et léger pour l'acquisition, le traitement et la transmission des données ;

3. Evaluer les performances des capteurs élaborés dans des conditions contrôlées en laboratoire ainsi que dans des conditions réelles d'utilisation.

Bibliographie
(1) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170568
(2) https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132983
(3) hal-04795392v1
(4) hal-04287582v1
(5) hal-04289343v1

La pollution atmosphérique et la dégradation des écosystèmes sont des enjeux majeurs pour la santé publique et le développement durable. Le suivi et la réduction des émissions de gaz nocifs sont essentiels pour limiter leur impact sur l'environnement et la biodiversité. L'ammoniac (NH) est un gaz incolore présent dans la nature et de nombreux procédés industriels. Bien que largement utilisé, il est toxique et représente un risque pour la santé humaine et l'environnement (1). L'exposition à des concentrations élevées peut provoquer des irritations des voies respiratoires, des yeux et de la peau, ainsi que des impacts négatifs plus important sur les écosystèmes (1). Selon l'« Occupational Safety and Health Administration » (OSHA), le corps humain ne doit pas être exposé à 25 ppm pendant 8 heures, ni à 35 ppm pendant 10 minutes (1). Sa surveillance constitue donc un enjeu majeur à la fois économique et environnemental. Dans ce contexte, le développement de capteurs innovants et performants pour la détection de l'NH 3 dans l'environnement apparaît comme une solution prometteuse. Les capteurs chémirésistifs à base d'oxydes métalliques sont largement utilisés pour la détection du NH en raison de leur simplicité de fabrication et de leur faible coût (2). Toutefois, leur fonctionnement à haute température (200-400 °C) limite leur sensibilité et augmente leur consommation énergétique, restreignant ainsi leurs applications.
Bibliographie
(1) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170568
(2) https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132983