Cellule électrochimique d’une installation EC-UHV

Cette réalisation en verre un peu particulière constitue la cellule d’un dispositif électrochimique pour un couplage électrochimie (EC) – ultra-haut vide (UHV). Ce couplage a été réalisé et utilisé au sein du service de Chimie analytique et chimie des interfaces (CHANI¹) par François Reniers et ses collaborateurs dans les années 1990.

L’installation EC-UHV permet de combiner les techniques électrochimiques, classiquement utilisées pour l’étude des processus impliquant des réactions d’oxydoréduction (corrosion, électrodépôt, adsorption, …) et qui se déroulent à une interface solide-liquide, aux techniques d’analyse de surface, telles que la spectroscopie des électrons Auger (AES) ou la spectroscopie des photoélectrons X (XPS). Ces dernières requièrent la présence d’un haut vide pour fournir des informations sur la composition de surfaces à l’échelle moléculaire ou atomique. L’installation couplée EC-UHV a pour but d’éviter les contaminations – principalement les contaminations au carbone et les phénomènes d’oxydation – et, par conséquent, de préserver la composition de la surface de l’échantillon lors de son transfert depuis le dispositif électrochimique – où les mesures électrochimiques sont effectuées en milieu liquide – à l’enceinte sous ultra-haut vide – où sont réalisées les mesures AES ou XPS.

L’installation EC-UHV du CHANI a été construite à partir d’un équipement sous UHV utilisé précédemment pour l’analyse spectroscopique des électrons Auger. Celui-ci a été modifié par les chercheurs et techniciens du laboratoire afin de l’adapter aux expériences électrochimiques². Ce projet a pu être réalisé grâce à la collaboration et les précieux conseils du Prof. J. Lipkowski

(Université de Guelph, Canada), notamment pour la conception du dispositif électrochimique, ainsi qu’aux nombreuses discussions avec le Prof. G. Attard (Université de Cardiff, Royaume-Uni).

La figure 1 montre le dispositif électrochimique couplé à l’installation sous UHV. La cellule, construite sur mesure à l’ULB, est fixée à l’installation via l’ouverture rodée du haut, par laquelle est introduite l’électrode de travail, c’est-à-dire l’échantillon qui sera ensuite transféré dans la chambre d’analyse sous UHV. Les entrées sur la paroi latérale permettent l’introduction de l’électrode de référence, de la contre-électrode et d’une éventuelle quatrième électrode ainsi que l’application d’un flux gazeux pour désoxygéner la solution. La cellule est en outre pourvue d’une double paroi pour le contrôle de la température. À l’origine, une seringue en verre pouvait être installée à l’extrémité de la cellule pour faciliter l’apport ou le retrait de la solution. Cet élément, visible sur la figure 1, est malheureusement manquant. L’ensemble du dispositif électrochimique étant fragile et délicat à manipuler, il a probablement été cassé.

Fig. 1. Dispositif électrochimique couplé à l'installation sous UHV [2]

Pour les plus curieux, le schéma de l’appareillage complet est présenté sur la figure 2. La validation du système de transfert a fait l’objet d’un travail de mémoire de licence³ ; le transfert de l’échantillon de la cellule électrochimique (à pression atmosphérique) vers la chambre d’analyse sous UHV (pression d’environ 5.10-9 torr), ou inversement, se fait en moins de 4 minutes via un système de manipulateurs horizontaux et verticaux. Grâce à cette installation, diverses études ont été menées, relatives au dépôt électrochimique d’argent sur des surfaces d’électrodes d’or monocristallin préparées sous ultra-haut vide et à l’électroréduction du CO2 sur des alliages or-cuivre.

Fig. 2. Plans de l'installation couplée EC-UHV vue du dessus (image du haut) et de profil (image du bas) (Rooryck, 2000). En noir : les détails du nouveau dispositif adapté aux expériences électrochimiques ; en couleur : les éléments de l’installation préexistant

Du fait de l’évolution des recherches, l’appareillage a été complètement démonté en 2019. Le Professeur François Reniers, concepteur de l’installation, a tenu à ce que les deux cellules électrochimiques existantes, l’une avec double paroi et l’autre avec paroi simple, soient transmises à Jennifer Christophe, dernière utilisatrice de l’installation couplée EC-UHV dans le cadre de sa thèse de doctorat. Les deux exemplaires uniques sont désormais conservés à l’Expérimentarium de chimie.


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Claudine Buess-Herman, Jennifer Christophe, Jean-Christophe Leloup, Cécile Moucheron et Nathalie Vaeck

_{¹ Le CHANI fait maintenant partie du ChemSIN (Chemistry of Surfaces, Interfaces and Nanomaterials - https://chemsin.ulb.be/).
² Rooryck, V., « Chapitre 3. Réalisation d’une installation couplée cellule électrochimique – enceinte sous UHV » dans Contribution à l’étude des dépôts d’argent sur or monocristallin, Thèse de doctorat, ULB, 2000, p. 50-58 - https://difusion.ulb.ac.be/vufind/Record/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/211790/Holdings (consulté le 9/08/2024).
³ Pace, S., Validation d’un système de transfert cellule électrochimique-spectromètre Auger, Mémoire de licence, ULB, 1999.}