Les techniques de mesure de la conductivité ionique ou de la perméabilité au combustible employées au cours de ce travail requièrent des échantillons sous forme de membranes. La pression de serrage, nécessaire au maintien des échantillons dans ces cellules, les rend incompatibles avec de fragiles pastilles constituées uniquement de RuO2·xH2O. Des membranes composites ont donc été préparées avec les poudres de RuO2·xH2O afin d’en évaluer les propriétés. Dans ces membranes composites, l’oxyde est associé à un polymère inerte, le po- lypropylène (PP), afin de diminuer la porosité des membranes. Le polypropylène obtenu sous forme de pastilles (Aldrich) est réduit en poudre dans l’azote liquide avec un broyeur centrifuge Retsch ZM 200 muni d’un tamis de 0,5 mm d’ouver- ture. Les membranes composites ne comportent pas d’ionomère de sorte que la conduction de protons ne peut s’effectuer que grâce au dioxyde de ruthénium ou au travers de la porosité résiduelle.
La méthode retenue pour la fabrication de ces membranes composites est une technique couramment employée pour la préparation d’électrodes de super- condensateurs [74,100,101]. Elle consiste à mélanger les poudres d’oxyde de ru-
thénium et polypropylène à une suspension de polytétrafluoroéthylène (PTFE) dans de l’éthanol et à porter le tout à ébullition. Une fois le solvant évaporé, la pâte obtenue est travaillée par laminages successifs qui entraînent la fibrillation du PTFE. Lorsque cette fibrillation est suffisamment importante, les poudres d’oxyde de ruthénium et polypropylène sont maintenues ensemble par le PTFE qui procure une tenue mécanique à la membrane composite. Cette méthode conduit à une dispersion homogène des constituants dans le volume de la mem- brane composite et ne nécessite pas de porter les matériaux à une tempéra- ture supérieure au point d’ébullition de l’éthanol, qui est de 76 °C. Les mem- branes composites sont ensuite découpées aux dimensions voulues et placées entre deux feuilles d’aluminium pour être densifiés à 105 °C sous une pression de 750 kg cm−2 pendant 30 min pour préparer des échantillons autosupportés. La pression est maintenue au cours du refroidissement jusqu’à ce qu’une tem- pérature inférieure à 60 °C soit atteinte. Les feuilles d’aluminium qui adhèrent aux deux faces de la membrane composite lors de la densification sous presse sont ensuite dissoutes dans NaOH ∼1 M à température ambiante.
Afin de comparer les performances de RuO2·xH2O à celles d’un matériau ne conduisant pas les protons dans son volume, une série de membranes compo- sites a également été préparée en substituant RuO2·xH2O par TiO2 (Aldrich). La conductivité d’une membrane composite constituée d’une charge conductrice distribuée dans une matrice isolante est fonction de la teneur volumique de ma- tériau conducteur. Pour comparer les membranes composites entre elles, il est donc préférable de s’intéresser à leur fraction volumique en oxyde plutôt que leur fraction massique. À cause de l’eau dans la structure, la densité de RuO2·xH2O n’est pas bien connue. La valeur correspondant au RuO2cristallin, 7,06 g cm−3, est donc utilisée pour en estimer la teneur en volume à partir des masses des dif- férentes poudres et de PTFE utilisées pour la préparation de chaque membrane composite. La porosité résiduelle après densification n’a pas été mesurée et est négligée pour l’estimation des compositions volumiques. Avec ces hypothèses simplificatrices, toutes les membranes composites contiennent 2 % de PTFE en volume. Par la suite, ces membranes composites PTFE - PP - RuO2·xH2O et PTFE - PP - TiO2 sont identifiées par leur fraction volumique d’oxyde, bien qu’elle soit connue moins précisément que leur composition massique. Dans la suite de ce travail, la fraction volumique de RuO2·xH2O dans les membranes composites PTFE - PP - RuO2·xH2O est variée de 0 à 49 Vf% et celle de TiO2 dans les membranes composites PTFE - PP - TiO2 de 0 à 25 Vf%.
10 µm
A B
PP
RuO2·2,2H2O
épaisseur de la membrane
Figure 9 – fractographie d’une membrane composite contenant 4 Vf% de RuO2·2,2H2O. Microscopie électronique à balayage en électrons secon- daires avec tension d’accélération de 20 kV (A) et cartographie du signal
EDX du ruthénium sur la même zone (B).
La figure 9A est l’image de la fracture d’une de ces membranes com- posites obtenue par microscopie électronique à balayage avec un microscope Jeol JSM-6300F. L’échantillon contient 4 Vf% de RuO2·2,2H2O et la figure 9A en montre plus de 95 % de l’épaisseur, orientée selon la direction horizontale de l’image. Sur cette image, des grains de PP restent identifiables après la densifica- tion et sont d’une taille supérieure à 10 µm. Entre et sur ces grains de polymère, la poudre de RuO2·2,2H2O est nettement identifiable et se présente sous forme de grains de taille de l’ordre du micromètre. Le microscope est muni d’un dé- tecteur Oxford Si(Li) pour les mesures de dispersion en énergie X ("Energy Dispersive X-ray spectrometry", EDX). La figure 9B est la cartographie du si- gnal EDX du ruthénium sur la zone correspondant à la figure 9A. Sur cette figure, la luminosité est proportionnelle à l’intensité du signal de sorte que les zones sombres sont les plus pauvres en Ru. Elle montre que le RuO2·2,2H2O est bien réparti de manière homogène dans l’épaisseur de l’échantillon.
Les propriétés mécaniques de ces membranes composites ne sont pas suffi- santes pour les employer dans les cellules de perméation ou de conductivité en milieu liquide : ces cellules nécessitent de placer l’échantillon comme séparateur entre deux demi-cellules et de maintenir une pression suffisante pour assurer l’étanchéité. Afin de permettre les mesures sur les membranes composites dans ces cellules, des échantillons ont été pressés sur une grille d’acier inoxydable de type 304 (40 fils de diamètre 0,25 mm par pouce, Alfa-Aesar). La figure 10A
A) B)
Figure 10 – exemples d’échantillons de membranes PTFE - PP - RuO2·xH2O pressés sur des grilles en acier inoxydable. A) membrane assemblée avec une feuille de polypropylène pour les mesures de perméa- bilité et de conductivité ionique dans une cellule à électrolyte liquide ;
B) échantillon pourvu de contacts électriques sur ses faces.
montre un exemple d’un de ces échantillons. Ils ont pour support un carré de feuille de polypropylène (épaisseur 0,5 mm, Goodfellow) dans lequel un trou de 10 mm est pratiqué à l’emporte-pièce. Un disque de membrane composite du même diamètre est inséré dans cette ouverture et un morceau de grille d’acier inoxydable est placé sur l’ensemble avant la densification à 105 °C. Une feuille de copolymère de fluoroéthylène et propylène (Alfa-Aesar) est placée sur l’as- semblage au cours de la densification. Cette feuille en se déformant permet à la pression d’être appliquée de manière plus homogène sur toute la surface de membrane composite et non uniquement sur la surface en contact avec la grille. Lorsque ce type d’échantillon est mis entre les connecteurs d’une cellule, le serrage s’effectue sur la feuille de polypropylène, ce qui limite la sollicita- tion mécanique de la membrane composite et assure que toute sa surface est en contact avec les solutions présentes dans la cellule. Les échantillons devant être employés dans la cellule de perméation de 25 mm de diamètre ont été pré- parés de la même manière avec un carré de polypropylène de 40 mm de côté. Le diamètre des échantillons de membrane composite employé dans ce cas est resté de 10 mm afin qu’ils soient compatibles avec les deux types de cellules. Sur certains échantillons, quelques fils de la grille support sont gardés suffisamment longs pour y permettre la prise d’un contact électrique. Dans ce cas, l’étanchéité imparfaite ne permet pas les mesures de perméabilité.
La figure 10B est un exemple d’échantillon pourvu de contacts électriques sur ses faces. Pour ce type d’échantillons, le diamètre du disque de membrane
composite est réduit à 3 mm. La grille en acier inoxydable contient une ouverture de 8 mm de diamètre pour éviter qu’elle ne crée un court-circuit entre les deux faces de l’échantillon. Un contact électrique est assemblé sur chacune des faces de l’échantillon, le premier lors de la densification de la membrane composite et le second au cours d’un pressage supplémentaire avec les mêmes conditions. Les contacts sont constitués d’un fil de platine enfilé dans un morceau de gaze de platine (Aldrich) de 4 × 4 mm2.