Etude de la signature d'une bulle isolée sur une microélectrode

Il est possible de réaliser par électrolyse des bulles isolées au moyen d’électrodes de faibles dimensions lorsque la taille de l’électrode est inférieure à la taille de la plus grosse bulle qui

électrode dépend fortement du matériau masquant les parois latérales de l’électrode. Ainsi, dans un électrolyte aqueux, lorsque l’électrode qui produit du gaz est la section d’un fil métallique de diamètre inférieur à 100 µm bordé par du verre, celle-ci est presque toujours masquée par une seule bulle. Si l'électrode est bordée par un matériau fortement hydrophobe, tel que du PTFE, celle-ci peut produire une bulle isolée alors que sa section est millimétrique. L’autre méthode qui permet d’obtenir une bulle isolée sur une électrode de faibles dimensions est de soumettre cette électrode à une forte densité de courant. L’évolution de la forme du dégagement gazeux depuis une électrode de platine de 750 µm de diamètre dans NaOH 3 % en fonction de la densité de courant imposée est visible sur la figure {4.9}.

Lorsque les bulles isolées sont obtenues en polarisant une électrode de faibles dimensions à une densité de courant importante, l’observation à la caméra rapide et au microscope montre que des courants de convection tourbillonnant prennent place au niveau du pied de la bulle. Ces courants engendrent une forte perturbation de la forme de la bulle. Ces micro-courants de convection ont étés observés en ensemençant l’électrolyte avec des microparticules de carbone. Par ailleurs, nous avons observé que les bulles isolées obtenues de cette manière émettent de façon continue des salves d’émission acoustique.

Figure 4.9: Forme du dégagement gazeux d'hydrogène sur une électrode de platine de 750 µm de diamètre bordée par du verre en fonction de la densité de courant.. Sur l'image de droite, le diamètre de l'électrode correspond à celui du pied de la bulle

Les bulles isolées étudiées dans cette section sont les bulles du même type que celle de l'image de droite sur la figure {4.9}.

4.2.2.2 Détails expérimentaux

L'électrode de platine employée est réalisée en soudant un fil de platine de 750 µm de diamètre dans un capillaire de verre à la flamme d'un chalumeau méthane-oxygène. Ce capillaire est ensuite coupé et sa section est polie pour servir d'électrode.

L'électrolyse est réalisée dans la cellule cubique de 10 cm de côté utilisée précédemment. La contre électrode est un cylindre de carbone poreux dont la face circulaire est placée à l'horizontale face vers le bas à 3 cm de l'électrode de platine. L'électrolyte est une solution aqueuse de NaOH 3 % en masse.

L'observation des bulles produites est réalisée au moyen du dispositif microscope et caméra rapide présenté au chapitre 3. Le capteur d'émission acoustique est un hydrophone situé à 1 cm de l'électrode. Les réglages d'enregistrement d'émission acoustique sont tels que décrit en 4.1. La caméra, le potentiostat/galvanostat (employé pour réaliser l'électrolyse avec un courant contrôlé) et la carte d'émission acoustique sont synchronisés. Les densités de courant indiquées sont des densités de courant nominales calculées avec la surface géométrique de l'électrode (et non la surface non masquée par le gaz).

4.2.2.3 Résultats et discussion

Les fréquences au pic en fonction du temps des salves enregistrées lors de la production par électrolyse de bulles d'oxygène isolées sur l'électrode de platine sont tracées sur la figure {4.10}. Sur cette même figure sont tracés les rayons de bulles calculés en appliquant la relation (4.1) à ces fréquences.

Figure 4.10: Fréquence au pic en fonction du temps (en vert) et rayons calculés par (4.1) (en bleu) appliquée à ces fréquences. Salves émises par plusieurs bulles isolées successivement formées sur une anode de platine de 750 µm de rayon à une densité de courant de 60 kA m^-2

Chaque créneau sur la courbe de tendance du rayon correspond à une bulle. On constate que près de 11 bulles se sont détachées de l'électrode en 3,5 s d'enregistrement. L'emploi d'une électrode de faibles dimensions pour produire une bulle isolée permet de limiter fortement le nombre de bulles "parasites" produites. La plupart des salves d'émission acoustique sont issues de ces bulles isolées.

La mesure de la taille des bulles sur l’électrode par l’observation optique permet de confirmer que la relation de Minnaert (appliquée à la fréquence au maximum du spectre de puissance des salves d’émission acoustique) surestime la taille des bulles qui émettent ces salves. Cet écart est du même ordre qu'en 4.2.1 et peut être expliqué par l’effet de proximité de l’électrode sur l’amortissement des oscillations de ces bulles.

Les bulles isolées formées à partir d'électrode de faibles dimensions permettent de tirer quelques conclusions quant à l'amplitude des salves émises. La figure {4.11} présente la taille d'une bulle calculée par (4.1) à partir des fréquences au pic et l'amplitude des salves mesurées par l'hydrophone. On remarque sur cette figure que l'amplitude des signaux émis par la bulle est importante en début de temps de résidence et juste avant le détachement de l'électrode. On déduit de cette figure que l'amplitude des émissions acoustiques des bulles n'est pas liée à la taille des bulles.

Figure 4.11: Rayon calculé par (4.1) en fonction du temps et amplitude des salves. Bulle isolée sur une électrode de 750µm de diamètre, mesure de l'émission acoustique par un hydrophone

Les films viennent compléter cette observation. La figure {4.12} présente la hauteur (diamètre suivant la direction de l'axe de symétrie) d'une bulle durant sa croissance. Cette figure a été obtenue à partir de l'analyse des films d'une bulle isolée produite sur l'électrode à une densité de courant proche de 120 kA m^-2. Sur cette figure, on remarque qu'avant détachement, la bulle est soumise à des déformations de fortes amplitudes. Par contre, au début de sa croissance les déformations étaient moins amples mais brusques.

On déduit de cette observation que l'amplitude des déformations d'une bulle n'est pas directement liée à l'amplitude des salves émises par les bulles. L'amplitude des émissions dépend aussi de la brièveté de celles-ci. C'est donc la puissance des contraintes auxquelles sont soumises les bulles qui contrôle l'amplitude des salves.

Figure 4.12: Hauteur d’une bulle d'oxygène isolée en fonction du temps (diamètre mesuré suivant l’axe de symétrie). Les flèches pointent certaines oscillations dues aux oscillations de la bulle.

4.2.2.4 Bilan

La coalescence de deux bulles conduit à la formation d'une bulle soumise à de fortes déformations (cf. figure {3.25}). Par conséquent, les observations menées sur l'amplitude des

salves émises par les bulles isolées suggèrent que la coalescence est le mécanisme qui est à l'origine de la plupart des émissions acoustiques.

Pour les bulles dont le nombre de Bond est très inférieur à 1 (cf. 2.8.1), la déformation provoquée par le détachement est faible comparativement à celle due à une coalescence. Par contre, les bulles dont le nombre de Bond est supérieur à 1, telles que celles présentées sur les figures {3.12} et {3.18}, se déforment de façon conséquente lors de leur détachement. Ceci nous permet d’émettre l’hypothèse que le détachement des bulles n’est un mécanisme d'émission acoustique significatif que dans le cas où le nombre de Bond des bulles est voisin ou supérieur à l’unité.