Bi-fonctionnal materials for catalytic and piezoelectric based on cerium, lanthanum oxide and Langasite
Matériaux bi-fonctionnels pour applications catalytiques et piézoélectriques, à base d'oxydes de cérium, de lanthane et de langasite
Résumé
The present study deals with catalytic and piezoelectric materials in form of nanopowders or nanostructured thin films to be involved in gas sensor applications. The catalytic phases were first based on cerium dioxide and barium cerate phases. These phases were elaborated from sol gel routes and characterized by X-ray diffraction, Scanning electron microscopy and FTIR spectroscopy. Using home made device, catalytic conversion of methane into CO2 was performed: the conversion rate was determined from FTIR analyses of emitted gases. Lanthanum oxide and hydrated and carbonated oxide phases including hydroxycarbonate and oxycarbonate of lanthanum were elaborated and characterized: thermal decomposition was studied from thermal analyses, impedance spectrometry and FTIR spectroscopy in the temperature range 50° to 700°C. Langasite La3Ga5SiO14 (LGS) was chosen as being a performing piezoelectric phase, having high electromechanical coupling and high temperature piezoelectric properties, allowing its coupling with a catalytic phase working at high temperature (up to 600°C). Polycrystalline langasite was elaborated via a specific solid state reaction process, and thin films were obtained via sol gel route associated with spin coating deposition process. Finally lanthanum films were deposited on these LGS films to deliver bilayers La2O3 – LGS. These bilayers might be involved in acoustic wave devices.
Ces études ont pour objectif la mise en œuvre de bi-matériaux constitués d'une phase catalytique active vis-à-vis de divers gaz (méthane), et d'une phase ferroélectrique-piézoélectrique sensible aux modifications de la phase catalytique (ou absorbante). Les phases catalytiques de base sont le dioxyde de cérium CeO2 et le cérate de baryum BaCeO3. Le système « oxyde de lanthane-hydroxycarbonate » La2O3 - La(OH)x (CO3)y a de même été étudié comme phase catalytique potentielle : son intérêt réside dans sa composition, variable en fonction de la température de travail. La phase piézoélectrique choisie est la langasite La3Ga5SiO14 qui présente l'avantage de rester piézoélectrique au-dessus de 1000°C, et peut donc être utilisée dans des systèmes catalytiques à des températures élevées (600°C). Dans une première partie nous présentons une étude bibliographique des enjeux environnementaux de la réalisation de nouveaux capteurs de gaz, notamment fonctionnant selon le principe de perturbation d'ondes acoustiques de surface. Une revue des travaux existants est développée. Les diverses techniques utilisées sont rassemblées dans un chapitre spécifique (méthodes de synthèses, diffraction de rayons X, spectroscopie infrarouge, microscopies électroniques, mesures électriques) .Les synthèses et caractérisations des phases (CeO2, BaCeO3, La2O3 ...) développées en tant que phases catalytiques optimisées sont détaillées dans une première étape. Certaines phases ont été obtenues sous des formes nanostructurées, performantes d'un point de vue conversion de CH4 en CO2. Les comportements lors de décompositions thermiques de l'hydroxycarbonate de lanthane ont été étudiés par analyses thermiques, spectroscopie infrarouge et mesures d'impédances électriques. La phase piézoélectrique La3Ga5SiO14 (langasite) a été synthétisée selon diverses approches nouvelles (réaction solide, sol-gel) : la synthèse est difficile, car, selon divers auteurs, ce composé est caractérisé par une fusion incongruente. La phase polycristalline obtenue après divers cycles thermiques atteint en fait une haute pureté apparente. La vérification de la qualité cristalline a été réalisée par un affinement structural (Rietveld) qui a permis de confirmer la qualité de la phase obtenue. Les coordonnées atomiques affinées à partir de diagrammes de diffraction de rayons X sont très proches de celles figurant dans la littérature pour un monocristal. Des études par spectroscopie IRTF et mesures électriques ont de même été réalisées. Enfin des couches minces de langasite, de lanthane et d'oxycarbonate de lanthane ont été obtenues à partir de voies sol-gel suivies de dépôt par spin-coating (et cela pour la première fois). Des bicouches langasite/lanthane sur substrat silicium ont été obtenues avec une bonne cohésion d'ensemble. Ces premières bicouches feront l'objet d'études ultérieures approfondies
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