Electrochimie

Méthode combinant les techniques de la physique et de la chimie, l’électrochimie est à la fois une science largement utilisée industriellement (élaboration de métaux électropositifs comme l’aluminium, traitements de surface, piles et accumulateurs, synthèses de composés minéraux et organiques, …) et aussi un domaine très large d’études analytiques et fondamentales (déterminations qualitatives et quantitatives d’espèces, études des mécanismes de corrosion et déposition, …). Si hier l’électrochimie a permis des progrès importants permettant par exemple d’obtenir de l’aluminium en grande quantité, le rendant ainsi accessible pour toutes les applications qu’il a aujourd’hui*, c’est toujours une science en plein devenir. Présentant des avantages en termes de coût et de gestion de l’environnement, elle est encore en pleine expansion aux vues des progrès à réaliser**et de ses applications potentielles.

* Avant d’être obtenu par le procédé Héroult-Hall (réduction électrochimique de fluorures complexes d’aluminium), l’aluminium coûtait plus cher que l’or. Lors de l’exposition universelle de 1855 à Paris, le grand orfèvre Christofle offrit à Napoléon III un couvert en aluminium comme cadeau exceptionnel !

** Un exemple en est le même procédé de production actuel de l’aluminium qui doit être amélioré voire revu du fait de la grande quantité de perfluorocarbures qui sont relargés dans l’atmosphère au cours de l’électrolyse à haute température.

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Magneto électrochimie

L’application d’un champ magnétique parallèlement (ou perpendiculairement) à la surface d’une électrode génère une convection au sein de la solution et permet de bien contrôler le régime hydrodynamique de la cellule d’électrolyse. Outre l’analyse du régime stationnaire, nous avons mis au point une méthode d’analyse dynamique : l’impédance magnéto-hydro-dynamique qui se révèle extrêmement utile pour isoler le transport de matière dans un processus électrochimique complexe. De cette convection, il résulte un flux laminaire proche de la surface de l’électrode qui réduit la couche de diffusion et augmente généralement les gradients de concentration et les vitesses de dépôt. Les effets de cette convection générée par l’application d’un champ magnétique sont une modification de la taille des grains, de la morphologie et de la structure cristalline des dépôts obtenus. En particulier, nous avons mis en évidence que les champs magnétiques intenses (disponibles au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses avec qui nous collaborons) agissent à des échelles submicrométriques et interagissent dès les premiers instants des processus de nucléation-germination.

Le laboratoire est équipé grâce à un financement du Conseil Régional et du FEDER d'une bobine supraconductrice orientable qui permet d'obtenir des champs magnétiques d'une intensité maximale de 6 teslas (60 000 gauss). Cet équipement permet également de travailler avec des gradients de champs très importants et donc d'étudier les effets de ces champs et gradients de champs magnétiques sur les réaction chimiques et électrochimiques.

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Sono electrodeposition

Le principe de la sonoélectrochimie pulsée consiste à appliquer un créneau de potentiel d'électrolyse durant le temps TON puis d'ultra-sons déphasé durant le temps TUS juste après. Les temps TON et TUS sont très courts (100 ms généralement). De ce fait, des germes d'éléments réductibles se forment à partir de l'électrolyte durant TON puis sont décrochés par l'irradiation sonore qui suit ce qui permet d'obtenir à l'issue de plusieurs cycles des poudres de taille nanométrique. Les nanopoudres ainsi élaborées au laboratoire sont de natures diverses : métaux (Cu), des oxydes (Cu2O), des alliages (Fe+Co) voire des matériaux "composites" (Cu/Ag : cœur de cuivre obtenu par sonoélectrochimie puis recouvert d'une coquille d'argent par déplacement chimique). Selon la nature du matériau, ces nanopoudres présentent des propriétés particulières (catalytiques, bactéricides, magnétiques…) ce qui les rendent intéressantes pour des applications médicales (lutte contre les maladies nosocomiales, nouveaux agents de contraste pour l'imagerie), énergétiques (diminution des coûts des catalyseurs), environnementaux (élaboration de capteurs)…

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Synthéses en solvant ionique

Les solvants ioniques peuvent présenter une stabilité électrochimique de l'ordre de 5 à 7 V (contre 1,2 à 2 V pour les solutions aqueuses) et ouvrent donc de nombreuses perspectives d'innovation dans le domaine de l'électrodéposition. Par ailleurs, l'absence de co-réduction d'hydrogène (électrolytes anhydres) pourrait permettre d'améliorer considérablement les propriétés mécaniques et anticorrosive de certains métaux sans avoir recours à l'utilisation de complexants tels que les cyanures qui sont actuellement utilisés dans la majorité des industries de galvanoplastie.
L'idée première de notre équipe est de fabriquer des nanofils de divers matériaux pouvant offrir des opportunités dans le domaine de la miniaturisation. Nous avons ainsi participé, en collaboration avec le LMEN (Université de Reims) et l’Université technologique de Clausthal (Allemagne) à la première réalisation de nanofils de silicium. Nous avons ensuite réussi à obtenir au sein de notre équipe des nanofils d’aluminium et nos recherches se dirigent actuellement vers la synthèse d’alliages CuZn et CuZnAl dans le but de fabriquer des nanofils d’alliage à mémoire de forme.