Différentes applications des polymères conducteurs 27

Les polymères conducteurs de type PANI, polythiophène ou PPy ont suscité un véritable engouement de la part des chercheurs ces dernières décennies. Le fait que ces composés puissent être synthétisés facilement dans différents milieux à partir de composés relativement peu coûteux y est pour quelque chose. Ces matériaux exhibent également des possibilités de modulation de propriétés impressionnantes. La conductivité électrique par exemple, qui est une des propriétés phares de ces polymères, peut être aisément modifiée en oxydant ou réduisant le revêtement. Toutes les propriétés physico-chimiques de ces films sont potentiellement modulables en fonction des conditions de préparation, au sens large. Un autre avantage que possède ces polymères conducteurs et qui en font une source d’études si abondante est leur aptitude à être fonctionnalisés. Cette fonctionnalisation est réalisée directement sur le monomère dans la plupart des cas, celui-ci étant ensuite soumis au mécanisme de polymérisation classique. De nombreux polymères différents peuvent ainsi être obtenus, ouvrant la voie à un grand pannel de possibilités.

Quelques applications parmi les plus connues des polymères conducteurs sont présentées ci-dessous. La liste des références bibliographiques donnée n’est pas exhaustive, tant la littérature est riche d’exemples.

I. Stockage d’énergie

L’habilité des polymères conducteurs à basculer d’un état redox à un autre a initié leur utilisation dans les batteries rechargeables [8-11]. Les premiers prototypes commerciaux mettant en œuvre des polymères conducteurs utilisaient des systèmes Li/PPy [12] ou Li/PANI [13]. Ces dernières années, des recherches ont été menées afin de proposer de nouveaux matériaux cathodiques pour les batteries lithium. Un dépôt de poly(terthiophène) fonctionnalisé par des fullerènes fut proposé à titre d’exemple [14]. De bons résultats ont été obtenus par des revêtements poly(1,2-di(2-thienyl)ethylene) ou autres polythiophènes substitués. Les problèmes majeurs de ces dépôts organiques dans ces applications sont une stabilité insuffisante suite à plusieurs cycles ainsi qu’un fort taux de décharge [15].

Des résultats encourageants furent obtenus récemment lors de l’utilisation de ces polymères en tant que couche protectrice anodique dans des piles à combustible [16, 17]. Néanmoins, les conditions sévères régnant dans de tels systèmes tendraient à faire douter d’une bonne stabilité de ces dépôts organiques sur une période d’utilisation prolongée.

Leur utilisation en tant que matériaux d’électrode dans des condensateurs ou supercondensateurs a été aussi investiguée [18, 19]. De telles applications font appel à des

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matériaux permettant une charge et une décharge rapides, ainsi qu’une haute capacitance. La bonne conductivité ionique au sein des polymères conducteurs permet de tendre vers ces caractéristiques, notamment vers un fort taux de décharge.

La PANI, le polythiophène et leurs dérivés, ont été utilisés dans des systèmes photovoltaïques mais essentiellement dans leur état réduit [20-22].

II. Capteurs

L’utilisation des polymères conducteurs dans les capteurs est un domaine en plein essor et un nombre important de travaux continuent d’être régulièrement publiés [23]. Pour cette application, le film polymère est utilisé en tant que couche sensible de l’électrode. Il permet,

via les groupements fonctionnels qu’il porte, d’établir des interactions spécifiques avec des

molécules cibles de son environnement. 1. Capteurs de gaz

Les capteurs de gaz à base de polymères conducteurs permettent une réponse sensible et rapide. Un des avantages de tels capteurs est leur habilité à fonctionner à température ambiante, chose non réalisable pour les capteurs de gaz plus classiques à base d’oxyde métallique [24-26]. Les polymères les plus utilisés dans ce domaine sont la PANI [26, 27], le PPy [28-30] et le polythiophène [31-33].

Bien que les mécanismes d’interactions entre les molécules gazeuses et le film organique ne soient pas toujours entièrement élucidés, la qualité oxydante ou réductrice du gaz joue un rôle essentiel. L’état électronique du polymère s’en trouve modifié conduisant à des changements de propriétés physiques (résistance, aspect…).

2. Electroanalyse et biocapteurs

L’utilisation des polymères conducteurs a également été employée en chimie analytique pour la détection d’ions ou molécules en solution [23]. Leur sensibilité vis-à-vis des cations et anions est généralement bonne, mais une pauvre sélectivité est à déplorer. Ainsi, leur sensibilité à la concentration en protons en solution permet une utilisation en tant que capteur pH. Dans ce cas, une fonctionnalisation par des groupements protonables réversiblement peut être judicieuse. Ce type de capteurs sera étudié dans ce travail au sein de la partie D.

L’immobilisation d’enzymes dans la matrice de polymères conducteurs a été le sujet de nombreux travaux ces dernières décennies. Des enzymes tels que le glucose oxydase (GOD) ou l’urease ont été immobilisées dans des films polymères via différentes interactions

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(électrostatiques, Van Der Waals, liaisons covalentes…). Le polymère conducteur peut transférer la charge électrique générée par la réaction biochimique à un circuit électrique. Un médiateur redox (ferrocene ou quinone) est généralement employé afin d’assurer un bon transfert électronique entre l’électrode et l’enzyme [34]. La détection d’espèces biologiques actives est un champ d’étude important en électrochimie analytique. Des biocapteurs à base de polymère conducteur et d’enzymes ont été utilisés, entre autres, pour détecter du glucose [35, 36], du fructose [37], de l’urée [38, 39], du cholestérol [40] ou encore de l’acide ascorbique [41].

III. Protection contre la corrosion

Les polymères conducteurs peuvent être déposés sur différents métaux actifs dans le but de les protéger contre la corrosion [42-45]. Des précautions particulières quant au choix de l’électrolyte à utiliser lors de l’électrosynthèse doivent tout de même être prises afin de permettre la formation d’une couche passive empêchant une dissolution trop importante du substrat tout en permettant la formation du film. Ces revêtements exhibent des propriétés anti- corrosion. La recherche dans ce domaine est motivée par un besoin de nouveaux matériaux de protection, remplaçant les plus couramment utilisés souvent toxiques pour l’environnement.

Le potentiel d’équilibre de certains polymères conducteurs (PANI, PPy) étant plus positif que celui des métaux classiquement protégés contre la corrosion (Fe, Al, Zn), une protection du même type que celle du Cr (VI) ou autres revêtements inorganiques est mise en œuvre. Ce type de mécanisme dépend du substrat actif et n’est néanmoins pas toujours élucidé. L’autre effet de protection est un simple effet de barrière physique du film polymère entre l’environnement oxydant et la surface métallique à protéger. Un des grands désavantages pour cette application est la modeste stabilité des films polymères conducteurs en environnement oxydant sur des longues périodes de temps. Ceux-ci perdent par la suite leurs propriétés redox. De même que leur porosité permet le passage d’espèces allant réagir à l’interface film/électrode, menant inévitablement au détachement du film par exfoliation.

Les propriétés anti-corrosion du PPy déposé sur l’acier électrozingué seront étudiées dans la partie D.

IV. Autres applications

D’autres applications importantes des polymères conducteurs existent que telles les revêtements antistatiques [46], les dispositifs électroluminescents ou électrochromiques [47- 50], les membranes échangeuses d’ions [51-53] ou encore l’électrocatalyse [54-56].

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La synthèse des polymères conducteurs peut être menée par voie chimique ou électrochimique. Seule l’étape initiale d’oxydation des monomères diffère. Dans le premier cas, elle est réalisée par un oxydant chimique alors que, pour le second, elle a lieu suite à un transfert électronique entre une électrode et le monomère. C’est cette dernière technique que nous utiliserons.

D. La polymérisation électrochimique