Sels alcalins de polyoxométallates luminescents sans lanthanides pour la détection de l’eau – ALPS-Water

La détection et la quantification de l’eau dans les liquides et les gaz sont essentielles pour de nombreuses applications industrielles. Les détecteurs photoluminescents sont de plus en plus étudiés, en raison de leur sensibilité élevée et de leur capacité d’analyse in situ. Cependant, la conception de détecteurs stables, réutilisables et recyclables reste à développer. Le projet ALPS-Water fédère trois partenaires, l’IMN, le SMS et le PBS, qui proposent d’étudier le potentiel de nouveaux sels alcalins anhydres photoluminescents à base du polyoxométallate sans lanthanide [SbW6O24]7- (SbW6), pour détecter l’eau dans l’air et dans les solvants organiques. Ces matériaux sont élaborés selon des voies de synthèse respectueuses de l’environnement et peu couteuses en énergie et ils sont recyclables. En présence d’eau, ils se réhydratent rapidement, provoquant une extinction de leur luminescence due à la formation de liaisons hydrogène entre les entités SbW6 et les molécules d’eau. Les phases anhydres sont régénérées par chauffage modéré et leurs processus d’hydratation/déshydratation sont reproductibles. Le matériau Na7[SbW6O24] est capable de sonder l’humidité dans l’air avec une limite de détection (LOD) de 2.2% et de détecter l’eau dans l’acétonitrile. Des investigations supplémentaires sont nécessaires pour rationaliser la réactivité complexe de ces sels vis-à-vis de l’eau, due à l’existence d’hydrates intermédiaires. Les partenaires du projet mobiliseront des cultures, des compétences et des ressources complémentaires pour enrichir cette classe de matériaux, étudier les relations entre les phases anhydres et hydratées et optimiser leurs performances de détection. L’intégration des sels de SbW6 dans des matrices polymères sera aussi étudiée, pour améliorer l’utilisation des dispositifs de détection.
Le premier objectif est de corréler la composition, la structure et les propriétés luminescentes des sels de SbW6. Une recherche prospective de nouvelles phases, qui varieront selon la nature et le rapport des ions alcalins et leur degré d’hydratation, sera mis en œuvre. De nouvelles voies de cristallisation des hydrates intermédiaires seront explorées en élaborant des diagrammes de phase binaires et/ou ternaires (sels de SbW6-eau-et/ou solvant anhydre). Les structures cristallines des phases métastables seront résolues par diffraction des rayons X, des neutrons (pour des matériaux deutérés) et des électrons. Les réseaux de liaisons hydrogène seront caractérisés en utilisant la méthode d’entropie maximum appliquée à la diffraction et les calculs DFT. Les protocoles de recyclage des sels seront également optimisés. Le second objectif vise à rationaliser les processus d’hydratation/déshydratation. Grâce à des techniques dédiées à l’étude des équilibres thermodynamiques solide/vapeur (gravimétrie de sorption de vapeur d’eau, diffraction RX ou microscopie sous humidité contrôlée), les domaines de stabilité en humidité de chaque phase seront définis. Enfin, les cinétiques des conversions de phase révèleront l’impact de la microstructure des solides sur leurs vitesses d’hydratation. Le troisième objectif est de déterminer les performances de détection des phases anhydres. Un grand défi consistera à caractériser in situ les propriétés de luminescence des matériaux exposés à des taux d’humidité variables dans l’air, ou dispersés dans des solvants organiques contenant différentes teneurs en eau. Ces études viseront à corréler la composition, la structure et la microstructure des sels avec leurs paramètres de détection (LOD, limite de quantification (LOQ), gamme de sensibilité, vitesse de détection). A plus long terme, le projet ALPS-Water ouvre la voie à des matériaux optimisés et mis en forme, entrant dans le cercle restreint des détecteurs luminescents durables et réutilisables, capables de sonder rapidement l’humidité dans l’air, avec des LODs < 1% et l’eau dans les solvants organiques, avec des LODs < 0,01% v/v.