Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
L'histoire des matériaux inorganiques et hybrides organique-inorganiques élaborés selon le procédé sol-gel est jalonnée de rebondissements avec des échecs et des réussites industrielles intermittentes ou durables. Malgré un essor remarquable en recherche, qui s'affiche avec une forte croissance annuelle des publications, les difficultés liées à la reproductibilité des méthodes de synthèse et à la production de produits fiables ont été les freins principaux à leur industrialisation. C'est le cas des matériaux à base de blocs monolithiques de xérogel, longtemps délaissés au profit d'applications à base de films minces et de poudres, qui retrouvent aujourd'hui un nouvel élan sous forme de capteurs nanoporeux et colorimétriques pour la détection des polluants de l'air. Les exemples de capteurs de formaldéhyde et de trichloramine à base de xérogels sont ici donnés. Ils illustrent la réussite de deux transferts industriels d'un laboratoire du CEA et du CNRS vers la start-up ETHERA.
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Thu-Hoa TRAN-THI : Directrice de recherche CNRS - Laboratoire des Édifices Nanométriques, UMR 3685 NIMBE, CEA-Saclay, IRAMIS, Gif-sur-Yvette, France
INTRODUCTION
Les matériaux « sol-gel » sont présents dans de nombreuses applications, essentiellement sous forme de poudre ou de films minces de revêtement. On trouve ainsi des poudres pour les catalyseurs chimiques , dans les formulations cosmétiques ou de médicaments , comme matériaux abrasifs ou encore comme isolants thermiques pour le bâtiment . Les applications sous forme de films minces sont très nombreuses notamment dans le domaine optique pour les revêtements ophtalmiques, les revêtements pour le vitrage, la synthèse de fibres optiques, ou encore dans le domaine des capteurs fluorescents . On trouve également des revêtements de protection contre la corrosion de pièces métalliques, des revêtements diélectriques et d'électrodes en électrochimie . Dans les domaines émergents, on peut trouver les textiles techniques, la production de tissus osseux artificiels et la dentisterie ou encore la biocatalyse enzymatique .
Parmi les matériaux hybrides sol-gel, on trouve cependant très peu d'études et d'applications des xérogels monolithiques, car contrairement aux poudres et films minces , la production de blocs monolithiques transparents, de qualité optique et exempts de craquelures, est loin d'être aisée. Cette difficulté a fort longtemps rebuté les industriels, qui ont préféré utiliser des verres poreux dopés de molécules-sonde par imprégnation en voie liquide, avec le désavantage d'un relargage de ces molécules lorsqu'elles ne sont pas chimiquement attachées au réseau poreux. Avec les xérogels monolithiques, la possibilité de séquestrer des molécules-sonde dans le réseau poreux sans avoir recours à des modes compliqués de synthèse représente un avantage indéniable. Deux exemples rares d'application des xérogels dans le domaine des capteurs chimiques colorimétriques sont ici donnés. Ils concernent les capteurs pour la détection de deux polluants toxiques, le formaldéhyde et la trichloramine, qui ont fait l'objet d'un transfert technologique et qui sont actuellement fabriqués par Ethera, une start-up pionnière dans la production de capteurs à base de xérogels monolithiques.
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MOTS-CLÉS
Matériaux hybrides xérogel trichloramine formaldéhyde capteurs colorimétriques pollution de l'air
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Polluants de l’air intérieur
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1. Procédé sol-gel : une méthode simple de production de matériaux poreux
1.1 Découvertes et freins aux transferts technologiques
En 1846, lorsque Jacques Joseph Elbemen rapportait la découverte de produits silicés issus de la combinaison de l’acide silicique avec les éthers ou du chlorure de silicium avec les alcools , en ces termes :
« On peut du reste, obtenir de la silice agrégée sans passer par l’éther silicique ; il suffit de verser du chlorure de silicium dans l’alcool en excès, et de laisser le liquide à l’air humide : il se solidifie en une masse transparente qui exhale pendant plusieurs mois une odeur fortement acide. Le produit finit par devenir opalin, mais il reprend sa transparence dans l’eau. En introduisant, soit dans l’éther silicique, soit dans la dissolution alcoolique du chlorure de silicium, des matières colorantes solubles dans l’alcool, on obtient de la silice colorée de teintes très variées et souvent très belles »,
le chercheur décrivait pour la première fois les étapes essentielles du procédé sol-gel et du mode de dopage « one pot » telles que nous les connaissons de nos jours. Bien qu’il ignorât totalement le mécanisme de formation de ces polymères inorganiques ainsi que leur porosité bien particulière, Ebelmen entrevoyait déjà le potentiel de ces matériaux pour leurs propriétés optiques. Il faut cependant attendre le début du 20e siècle (1920) pour trouver la première application industrielle de la firme Grace Davison avec le « silica-gel », synthétisé par voie sol-gel à partir de silicate de sodium par Walter A. Patrick . De nos jours, cet adsorbant utilisé à travers...
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Procédé sol-gel : une méthode simple de production de matériaux poreux
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PEREGO (C.), MILLINI (R.) - Porous materials in catalysis : challenges for mesoporous materials - Chem. Soc. Rev., 42, 3956-3976 (2013).
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(2) - PARLETT (C.M.A.), WILSON (K.), LEE (A.F.) - Hierarchical porous materials : catalytic applications - Chem. Soc. Rev., 42, 3876-3893 (2013).
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(3) - VALLET-REGI (M.) - Mesoporous Silica Nanoparticles : Their Projection in Nanomedicine - International Scholarly Research Network, ISRN Materials Science, Volume 2012, Article ID 608548, 20 pages, doi:10.5402/2012/608548.
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(4) - RIFFAT (S.B.), QIU (G.) - A review of state-of-the-art aerogel applications in buildings - International Journal of Low-Carbon Technologies, 1-6 (2012).
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(5) - TRAN-THI (T.-H.), DAGNELIE (R.), CRUNAIRE (S.), NICOLE (L.) - Optical chemical sensors based on hybrid organic-inorganic sol-gel nanoreactors - Chem. Soc. Rev., 40, 621-639 (2011).
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NORMES
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Air intérieur – Partie 3 : dosage du formaldéhyde et d’autres composés carbonylés – Méthode par échantillonnage actif (indice de classement : X43-404-3). - NF ISO 16000-3 - 2002
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Air intérieur – Partie 4 : dosage du formaldéhyde – Méthode par échantillonnage diffusif (indice de classement : X43-404-4). - NF ISO 16000-4 - 2006
1 Données statistiques et économiques
Les appareils commercialisés pour la quantification des aldéhydes ou sélectifs au formaldéhyde sont présentés tableau 1.
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