Électrochimie & Environnement
Nos recherches visent à apporter des réponses innovantes dans le domaine de l’environnement pour répondre aux défis sociétaux.
Les principales applications visées sont le développement de traitements innovants de dépollution et la détection d’espèces toxiques dans des milieux aqueux. Pour cela, nos activités de recherches fondamentales, en lien avec l’électrochimie, et à visées applicatives s’articulent autour des axes et stratégies suivants :
Dépollution : Traitements innovants selon deux stratégies en fonction des polluants visés (Sophie Peulon)
Stratégie 1 : « Copier et optimiser la Nature«
Dans les sols, il existe des composés non toxiques et abondants qui présentent des propriétés naturelles intéressantes. L’idée principale est donc de les synthétiser et les optimiser « à façon » par électrochimie sous forme de films minces nanostructurés.
En effet, l’électro-dépôt est une méthode parfaitement adaptée pour synthétiser une multitude de composés purs sous forme de films minces, adhérents et homogènes, avec des nanostructures facilement modulables. De plus, les synthèses sont rapides, se font à température ambiante, avec de faibles besoins énergétiques, et une très bonne reproductibilité.
Exemple d’un film de birnessite électro-déposé (Microscope électronique à Balayage)
Ces matériaux sont ensuite utilisés pour dégrader spontanément des polluants organiques jusqu’à la minéralisation (réactions redox), avec des capacités d’auto-régénération partielles, ou pour adsorber des polluants inorganiques (métaux lourds). Ils peuvent également être utilisés comme matériaux d’électrodes, ce qui permet, avec des apports énergétiques réduits, une amplification significative des capacités de dégradation, de la cinétique, en plus d’une totale régénération du matériau.
Références associées :
Publications :
- M. Zaied, S. Peulon et al., Appl. Catal. B: Environ. 2011, 101, 441.
- M. Zaied, S. Peulon et al., Appl. Catal. B: Environ. 2011, 107, 42.
- M. Ndjeri, S. Peulon et al., Colloids Surf. A 2013, 435, 154.
- A. Pensel, S. Peulon, Electrochem. Com. 2016, 69, 19.
- R. Choumane & S. Peulon, Coll. Surf. A, 2019, 577, 594.
- F. Tsin, A-M Gonçalvès, S. Peulon, et al. Appl. Surf. Science 2020, 525, 146555.
- C. Boillereau & S. Peulon, soumise (mars 2023)
Brevet :
- A. Pensel, S. Peulon, Brevet CNRS , 2022.
Thèses :
- M. Zaied, Université d’Evry Val d’Essonne, en cotutelle avec la Tunisie, 2012.
- M. Ndjeri, Université d’Evry Val d’Essonne, 2012.
- A. Pensel, 2016, Université d’Evry Val d’Essonne.
- R. Choumane, 2018, Université d’Evry Val d’Essonne
- C. Boillereau, Université Paris-Saclay (soutenance prévue fin 2023)
Stratégie 2 : « Éliminer, Séparer & Valoriser »
Parmi les très nombreux polluants rencontrés, les métaux lourds sont particulièrement problématiques du fait de leur grande toxicité, leur absence totale de (bio)dégradation, et leur accumulation dans l’environnement, via la faune et la flore, puis dans la chaîne alimentaire avec des conséquences importantes pour l’Homme. Le paradoxe est que ces mêmes métaux lourds sont des ressources en tension, car ils entrent dans la composition de matériaux destinés à la « transition énergétique », et que leur exploitation entraîne des conséquences dramatiques sur l’environnement. Il existe des procédés pour purifier les eaux polluées mais il faut sans cesse améliorer leurs performances du fait de la révision des normes, tout en diminuant les coûts. De plus, ces méthodes ne permettent pas de séparer facilement les métaux lourds entre eux de par leurs propriétés chimiques, et de ce fait ils sont récupérés sous une forme non valorisable.
Principe général de dépollution d’une solution aqueuse chargée en métaux lourds
C’est dans ce contexte que nous nous intéressons à développer des procédés innovants de dépollution vis-à-vis des métaux lourds. La stratégie développée récemment est basée sur l’idée originale de les éliminer par des techniques électrochimiques sous forme de films minces adhérent(s) non métalliques. Ainsi, ce procédé est très efficace pour éliminer le plomb par exemple, et ce jusqu’à 99,99%, permettant d’atteindre directement des concentrations acceptables pour l’environnement et l’eau potable selon les normes fixées par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS).
Ce procédé, très simple à mettre en œuvre à faibles coûts énergétiques, permet également de séparer facilement plusieurs métaux lourds contenus initialement dans une même solution (exemple du plomb, nickel et cuivre), et de les récupérer chacun sous forme de films adhérents, qui pourraient être intéressants pour de nombreuses applications ((électro)catalyse, dépollution, énergie). Au vu de tous ces avantages, ce procédé a été breveté (français, extensions internationales), et publié.
Dans le cas d’un mélange contenant du cadmium, celui-ci ne pouvant pas être éliminé par ce procédé électrochimique du fait de sa chimie propre, a pu être éliminé avec les matériaux développées par la stratégie 1 (films d’oxydes de manganèse) comme illustré ci-dessus, permettant ainsi une dépollution totale de la solution aqueuse, avec une séparation de tous les métaux lourds présents initialement en solution.
Illustration schématique de la dépollution d’une solution aqueuse chargée en métaux lourds en couplant les deux stratégies complémentaires
Ces études sont donc extrêmement prometteuses pour développer des procédés innovants de dépollution (éliminer & séparer) mais également pour valoriser les matériaux obtenus dans le cadre d’une économie circulaire (recyclage). En effet, ceux-ci présentent des morphologies tout à fait originales et jamais rapportées dans la littérature du fait de conditions d’obtention très particulières.
Exemples de morphologies obtenues pour un même oxyde de plomb en fonction des conditions
C’est dans ce contexte et cette dynamique qu’une thèse CFR a débuté en octobre 2022 avec deux axes principaux, à savoir l’optimisation du procédé de dépollution des eaux usées et la possibilité de valoriser les matériaux obtenus.
Références associées :
Publications :
- R. Choumane, S.Peulon, Chem. Eng. J 2021, 423, 130161.
- R. Choumane, S.Peulon, J. Environ. Chem. Eng.2022, 10(6), 108607.*
Brevet :
- S. Peulon, R. Choumane, Brevet CNRS BFF 18P0262 SGA, 2018.
- S. Peulon, R. Choumane, Brevet CNRS PCT/EP2019/067482 28/0619, 2019.
Thèses :
- R. Choumane, 2018, Université d’Evry Val d’Essonne.
- L. Desneux, Université Paris-Saclay (débuté en 2022).
Détection : Développement de dispositifs électrochimiques innovants pour l’analyse de polluants basés sur des microinterfaces liquide-liquide (Caroline Cannizzo & Sophie Peulon)
L’originalité principale de ces dispositifs est la possibilité de détecter des espèces chargées, par transfert direct ou indirect via l’utilisation de complexants sélectifs, sans que les molécules présentent des propriétés d’électroactivité.
Principe schématique des mesures à des microinterfaces liquide-liquide
Ainsi, des composés organiques ou des alcalino-terreux peuvent être détectés et quantifiés par des mesures électrochimiques classiques. De plus, les avantages majeurs de ces dispositifs sont :
- pas de préparation complexe d’échantillon
- mesures effectuées dans des eaux de nature très variées (peu ou pas chargées ou au contraire très chargées)
- pas d’électrode solide (pas d’encrassement ni besoin de régénération)
- possibilité d’atteindre des concentrations à l’état de traces en utilisant des réseaux de micropores.
Ces dispositifs peuvent être intéressants à la fois pour des applications ciblées à flux continu, mais également pour acquérir des données fondamentales (extraction liquide-liquide, cinétique, nature et charge de l’espèce transférée, …) indispensables pour la compréhension des mécanismes d’extraction et/ou de complexation.
Références associées :
Publications :
- S. Peulon, V. Guillou, et al. J. Electroanal. Chem. 2001, 514, 94-102.
- S. Peulon, Electrochim. Acta 2009, 54, 1537-1544.
- A. Mastouri, S. Peulon, D. Farcage, et al., Electrochim. Acta 2014, 120, 212-218.
- A. Mastouri, S. Peulon, et al., Electrochim. Acta 2014, 130, 818-825.
- C. Cannizzo, S. Peulon. Présentation orale et Article de Congrès, Journées Informations Eaux 2022, Apten , Poitiers (France)
Thèse :
- A. Mastouri, 2014, Université d’Evry Val d’Essonne.