Vidéo électrochimique mesurée de la contre électrode – ECVIDEO

Les applications émergentes des nanomatériaux dans la conversion et le stockage électrochimique de l'énergie nécessitent une évaluation fiable de leur réactivité. Les mesures électrochimiques traditionnelles à l’échelle macroscopique permettent difficilement de différencier la réactivité intrinsèque des matériaux de leur structuration géométrique, nécessitant donc des mesures locales. Ce projet a pour objectif de développer une méthodologie analytique et une instrumentation visant l’imagerie in-situ/in-operando de la distribution de cinétique de transfert de charge sur des électrodes planes, avec une résolution spatiale submicronique/nanométrique et temporelle de l’ordre de la milliseconde. Au lieu de directement observer l'échantillon, nous proposons de mesurer indirectement les variations optiques sur la contre-électrode (CE) par electrochromisme. Le concept est basé sur l'utilisation d'un composant généralement "inerte" de la cellule électrochimique, la CE qui sera obtenue par fonctionnalisation d’une lame de verre dont l’analyse permettra de convertir les variations optiques en des signaux électrochimiques mesurables au cours de l’expérience électrochimique. A l’aide d’une pré-calibration des propriétés optiques de la CE, les changements de couleur de la CE au cours du temps (vidéo) seront convertis en distribution de potentiel et de courant, qui serviront comme conditions limites pour résoudre la distribution de réactivité électrochimique sur l'échantillon. Le concept sera illustré pour un système modèle, la réaction d’évolution d'oxygène lors de l’électrolyse de l'eau. Nous étudierons des électrocatalyseurs à base de Pt et d'oxydes métalliques, en se concentrant sur leur comportement autour du potentiel d’oxydation ou sur leur passivation par des traces de composés organiques. La limite de détection en termes de sensibilité et de résolution spatiale sera explorée, dans des conditions de mesure se rapprochant le plus possible des électrolyseurs réels. Le champ d’application de la méthodologie est bien plus large, on pourra moduler la nature de l'échantillon ou de l'électrolyte, ou encore, à plus long terme, l’étendre à des réactions d'intérêt pour l'énergie, e.g. évolution d’hydrogène ou réduction de CO2. Les résultats permettront d’étudier le mécanisme électrocatalytique et servir comme une méthode de criblage à haut débit d’électrocatalyseurs. Un prototype instrumental ainsi qu’un programme d’analyse des données open source seront envisagés. Le projet est divisé en trois modules de travail scientifique (WPs) : la préparation et la calibration de la CE et de la cellule électrochimique optique (WP1), l'évaluation de différentes configurations de microscopie optique pour atteindre la meilleure limite de détection en terme de la résolution spatiale (échelle nanométrique) et temporelle, ainsi que la mise en œuvre de composants de cellule d'électrolyseur (WP2), la dérivation de l’imagerie cinétique d’électrocatalyseurs par modélisation des résultats expérimentaux (WP3). L’équipe du projet ECVIDEO réunit deux partenaires qui ont des expertises complémentaires en électrochromisme, imagerie électrochimique notamment par l'utilisation de microscopies optiques et la modélisation des phénomènes impliqués.