Brevet FR2591614A1 — publié le 19870619

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un film de polyparaphénylène, du type faisant appel à une réduction électrochimique, ainsi que les applications du film de polyparaphénylène obtenu par ledit procédé, à la réalisation de cellules photo- voltaIques, de détecteursdoseurs d'oxygène, de cellules électrochromes et de batteries. Le polyparaphénylène sera désigné ci-après PPP. Le PPP est un polymère semi-conducteur, de con- ductivité faible À Sa formule générale est (C6H4)x, x étant le degré de polymérisation. Le PPP ne devient conduc- teur électrique qu'à condition d'être dopé par des accep- teurs d'électrons (dopage P) ou des donneurs d'électrons (dopage N). Dans les applications sus-mentionnées, le PPP, dopé ou non, sera utilisé avantageusement sous forme d'un film de très faible épaisseur. En particulier: l'application photovoltaique nécessite des épaisseurs inférieures à 10-7 m pour minimiser la résistance, l'application électrochrome nécessite des épaisseurs inférieures au micron pour conserver une vitesse de commutation valable. Or, aucune méthode de préparation du PPP, connue dans la technique antérieure, ne permet de l'obtenir sous forme de film mince bien caractérisé. Ainsi, par exemple, les synthèses décrites par Kovacic et al. (P.Kovacic, A.Kyriakis, J.Am. Chem. Soc. , 454 (1963)), ou par Fauvarque et al., (J.F. Fauvarque, M.A. Petit, F.Pfluger, A. Jutand, C. Chevrot, M. Troupel. Makromol Chem. Rapid Commun 4, 455 (1983)), conduisent à la formation de poudres qui, étant insolubles et infusibles, ne sont pas filmogènes. On ne peut,par pastil- lage, obtenir des épaisseurs inférieures à 30 Nm (problème de tenue mécanique). D'o la nécessité et l'intérêt de synthétiser le PPP directement sous forme de films minces. D'autres auteurs proposent l'obtention de films par électrosynthèse par oxydation du benzène dans les conditions suivantes oxydation du benzène ou du biphényle dans l'acétonitrile (T.Osa, A. Yildiz, T. Kurvana -J.A.C. S. 91 (14) (1969} 3994), oxydation du benzène dans S02 à - 20 C (M. Delamar, P.C. Lacaze, J.Y. Dumousseau, J.E. Dubois -Electrochimica acta 27-1 (1982) 61) 15. oxydation du benzène à l'interface benzène-HF (A.F. Shepard, B.F. Dannels - J. polym. sci.Al 4 (1966) 511 et I. Rubinstein - J. electrochem. soc. 130.7 (1983) 1506), 20. oxydation du benzène dans le nitrobenzène (K. Kaeriyanma, M.A. Sato, K. Someno, S. Tanaka J. Chem. soc. chem. commun. (1984) 1199). Mais ces quatre méhodes donnent des films qui ont les défauts suivants: préparation mal commode (dans SO2 liquide ou HF), ou dans les conditions limites d'utilisation du solvant, - enchainement uniquement en para des motifs phénylènes non garanti, - présence de OH, d'oxygène ou d'azote dans le film. D'autres auteurs proposent, toujours dans le cas d'obtention de films par électrosynthèse, la réduction P (C6H5)3 de Br N0 iBr dans l'acétonitrile _w P(C6H5)3 (G. Schiavon, G. Zotti, G. Bontempelli - J. electro. anal. chem. 161 (1984) 323). Cette méthode donne un film avec des motifs phényl enchaî- nés en para, mais avec incorporation d'un nickel tous les 7 ou 8 cycles. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un film de polyparaphénylène par électro- polymérisation, du type faisant appel à une réduction électrochimique d'un monomère de formule: Br Br o n est un nombre entier n compris entre 1 et 4, dans une cellule électrochimique comprenant une électrode de référence, une électrode de travail et une contre-électrode, baignées par un électrolyte comprenant un ou plusieurs solvants aprotiques dont l'un au moins est dipolaire, et un sel de fond anhydre, en présence d'un catalyseur organométallique du type NiX2L o X est un halogène et L est un ligand, caracté- risé en ce que l'électrode de travail est une cathode solide et en ce que le rapport catalyseur/monomère est compris entre 0,1 et 1. Ainsi, pour synthétiser le PPP, il est fait appel à un procédé de type général connu dans l'art antérieur; il s'agit d'uneréduction électrochimique d'un monomère de formule: - Br Br Cette réduction électrochimique correspond au schéma réactionnel suivant (n étant le degré de polymérisation): n(B X Br) * 2n Ni(o n + 2n Br En ce qui concerne le catalyseur, des résultats récents ont montré que des complexes au nickel de valence 0 peuvent être générés in situ par réduction électrochimique de Ni X2 L 2 avec X = Cl ou Br, L = P(C6H5)3 ou L2= (C6H5)2-P-CH2-CH2-P-(C6H5)2 Ces complexes sont en conséquence immédiatement employés pour la synthèse de PPP par électroréduction de di- bromobenzène. L'électropolymérisation sus-mentionnée est effec- tuée sous atmosphère d'argon, à la température ambiante, dans une cellule à 3 électrodes, dont les compartiments anodique et cathodique sont séparés par un disque en verre fritté. Les électrodes sont classiquement en mercure pour la cathode ou électrode de travail, en lithium pour l'a- node, en argent pour l'électrode de référence. Le principal inconvénient de cette méthode est que l'on obtient le PPP sous forme de poudre, inutilisable à bien des égards. En effet, dans de nombreux domaines et en particulier pour les applications du PPP mentionnées dans les exemples ci-après, il est nécessaire de recourir à un film de PPP, dont l'homogénéité et la finesse sont essentielles. Les Demandeurs ont alors mis en évidence qu'une électrode de travail, ou cathode, composée d'une nappe de mercure, ne pouvait que mener à la synthèse de PPP sous forme de poudre. Elle a aussi mis en évidence que l'uti- lisation d'une électrode de travail solide, en remplacement de l'électrode liquide de la technique antérieure, condui- sait à la synthèse d'un film de PPP. Ainsi, selon la présente invention, il est fait usage d'une cellule, de préférence mono-compartimentée comprenant: - une cathode solide, appartenant de préférence au groupe constitué par le graphite, le carbone vitreux, l'or, le nickel, le platine, le verre recouvert d'un oxyde conducteur du type SnO2 ou oxyde d'indium et d'étain, (indium tin oxide ou ITO), le verre recouvert de métal; - une anode ou contre-électrode qui est de préfé- rence soluble, par exemple en lithium ou en magnésium, ou non soluble par exemple en or ou en platine; - uneélectrode de référence qui est, de préférence, en argent/perchlorate d'argent. Ces trois électrodes, selon la présente invention, baignent dans un électrolyte comprenant un ou pusieurs sol- vants aprotiques. De préférence, l'électrolyte est constitué d'un mélange de deux solvants dans un rapport exprimé en volume de (2/3-1/3)pour le solvant aprotique et le solvant aprotique dipolaire respectivement. Ainsi, par exemple, l'électrolyte est un mélange de 2/3 de tétrahydrofuranne îHF) et de 1/3 d'hexaméthylphosphorotriamide (HMPT). De préférence, selon la présente invention, on ajoute à l'électrolyte un sel de fond anhydre, d'une conductivité ionique certaine et ne fournissant pas de protons. Il peut s'agir d'un sel choisi dans le groupe LiClO4, NaBF4, NBu4BF4. Le monomère utilisé selon la présente invention répond à la formule Brn Br o n est un nombre entier compris entre 1 et 4. De-préfé- rence, n est égal à 1 ou 2, le 4,4' dibromobiphényl condui- sant à des résultats particulièrement performants. Les Demandeurs ont aussi mis en évidence que le rapport catalyseur/monomère doit être compris entre environ 0,1 et 1. De préférence, ce rapport sera voisin de 0,25 pour l'obtention de films de PPP homogènes, conformes à l'inven- tion. Selon une caractéristique additionnelle de la présente invention, on soumet l'électrode de travail à une tension comprise entre-2,2 et-2,8 volts par rapport à l'électrode de référence Ag/Ag+, de préférence à une tension de 2,5 volts. Ainsi, selon un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé selon l'invention, on effectue la synthèse d'un film mince de PPP sur une plaque de verre recouverte d'oxyde conducteur ITO. La figure 1 représente la cellule utilisée. Cette cellule monocompartimentée 1 comporte une cathode solide 2 réalisée sous la forme d'une plaque de verre recouverte d'oxyde conducteur ITO, une anode soluble en lithium 3 et dans un prolongement oblique 6 une électrode de référence 4 reliée par une rallonge séparatrice 5. Les trois électrodes baignent dans un électrolyte dont le niveau supérieur est représenté en 7. Au fond de la cellule, un barreau aimanté 8 permet l'homogénéisation du milieu. La partie supérieure de la cellule est percée d'une ouverture 9 permettant le passage d'argon. Cette cellule est utilisée à l'air. Elle est étanche et un flux d'argon la ventile. Son volume utile est de 100 ml. L'électrolyte comprend 70 ml de THF et 30 ml de HMPT. Ces deux solvants sont avantageusement préparés de la façon suivante: 10. 70 ml de THF sont places sur du naphtalène- sodium et distillés à pression atmosphérique sous balayage d'argon, ml de HMPT sont placés sur AlLiH4 et distilles sous vide primaire créé par une pompe à palettes. Les électrodes utilisé sont les suivantes: l'électrode de référence 4 Ag/Ag+ trempe dans une solution à 0,1 mole/litre de Ag Cl 04 dans le THF; elle est placée dans un prolongateur rempli d'électrolyte; 20. l'anode 3 en lithium consiste en un barreau métallique gratté au scalpel dans du THF et transféré à l'air dans la cellule de synthèse; la cathode 2 consiste en une plaque de verre (de 13 x 37 mm) recouverte de 12 x 10-8 - d'oxyde conducteur ITO (50-mL/3), et recuite à 5000 C. La face non conductrice est placée en face de l'anode en lithium. Les réactifs utilisés sont les suivants: À le monomère est du dibromobiphényle recristal- lisé, préparé par bromation du biphényl (tlmMole), 30. le catalyseur est du NiCl2L2 (0,25 mMole o L2 = (C6H5)2-P-CH2-CH2-P-(C6H5)2, le sel de fond est du LiC104 séché sous vide à 160 C (0,03 Mole). On utilise, au surplus, éventuellement1 110 mg de Mg Br2 que l'on sèche avec Li Cl 04. Le sel de fond et le sel de magnésium sont d'abord mis à dissoudre dans le THF (agitation par un barreau magnétique). Le HMPT est rajouté après dissolution. Une part de cet électrolyte est alors versée dans le pro- longateur de la référence. Le monomère et le catalyseur sont introduits dans la cellule en dernier. La polymérisation se fait en potentiostatique à - 2,5 volts par rapport à l'électrode de référence. Le courant moyen observé est de l'ordre de 0,5 mA. On arrête la synthèse après circulation d'unequantité de charge de 2 coulombs. La plaque de verre recouverte d'oxyde conducteur est alors sortie de la cellule de synthèse et rincée dans un bain de THF. Elle apparatt, après séchage à la soufflette, recou- verte d'un film homogène semi-transparent de polyparaphény- lène neutre et isolant (non dopé). Ce film est parfaitement stable à l'air, mince, homogène en épaisseur (jusque vers 1 pm d'épaisseur). Le polyparaphénylène est caractérisé comme tel par: l'absorption infrarouge donnant lieu à des bandes à 999 cm-1, 1483 cm-1, 805 cm-1, (bande associée aux phényles disubstitués), 767 et 694 cm-1(bandes peu intenses associées aux phényles de bouts de chaînes); l'absorption U.V. montrant une bande large avec un maximum d'absorption vers 370 ni; 30. la diffraction - X donnant lieu aux raies carac- teristiques des réflexions (110), (200), (210) et (002) du PPP. Le film de PPP obtenu est un semi-conducteur dont la conductivité faible est inférieure à 10 16 -cm1. Et c'est sous cette forme non dopée qu'il est utilisé pour la réalisation de cellules photovoltaïques (exp. 1) et de détecteurs doseurs d'oxygène ( exemple 2). Par contre, pour réaliser des cellules électro- chromes (exemple 3) et des batteries (exemple 4), il est néces- saire d'utiliser un film de PPP conducteur. Pour ce faire, selon la présente invention, on effectue un dopage directement sur l'électrode de travail utilisée dans le procédé de fabrication. Ainsi, partant du film de PPP préparé selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention décrit ci-dessus, on peut réaliser un dopage électrochimique de type P de la façon suivante: la manipulation est de préférence réalisée en boite à gants sous atmosphère d'argon "c" et en l'absence d'eau et d'oxygène, la cellule de dopage est de préférence un fond de tube à essai d'une contenance d'une dizaine de ml, le solvant est de préférence du carbonate de propylène qui a été distillé deux fois sous vide dans une- colonne à bande tournante de téflon, et qui est maintenu sur tamis moléculaire 4 x 10-10 m. On utilise un sel de fond tel que le LiC104 ou LiBF4, séché sous vide à 1500C pendant plusieurs heures, et uti- lisé à la concentration de 1 mole/litre. Les électrodes sont de préférence les suivantes: la contre-électrode qui fait aussi office d'électrode de référence, est une bande de lithium de dimensions 0,38 x 5 x 10 imi (Alfa Products), l'électrode de travail est une électrode de verre recouverte d'ITO et de PPP comme indiqué ci-dessus. Une fois le sel dissous et les deux électrodes installées, on maintient le potentiel du PPP à 3,5 V par rapport au couple Li/Li+. Si l'on effectue alors à intervalles réguliers des voltammogrammes entre 3,5 et 4,5 V, on observe une courbe I (V) c'est-à-dire donnant l'intensité du courant (en milli-ampère) en fonction de la différence de potentiel ou ddp (en volt) appliquée entre les deux électrodes. Cette courbe est du type de celle de la figure 2, avec des courants plus faibles mais croissant d'heure en heure. Après 100 heures, le voltammogramme est celui de la figure 2 (pour une surface active de l'ordre de 1 cm2). On explique cette croissance du phénomène par la nécessité d'attendre que l'électrolyte ait diffusé dans le film. En effet, comme celui-ci est isolant au départ, la réaction électrochimique doit démarrer à l'interface ITO-PPP o l'on doit donc aussi trouver l'électrolyte. La réaction d'oxydation, qui se produit de façon significative au-delà de 4,1 volts, n'est pas complète à 4,5 volts. Elle s'explique classiquement par l'oxydation partielle des chaines du polymère selon: xy C104 + (C6H4) x - [(C6H4), y C1041 + xy e x est le degré de polymérisation y est le taux de dopage. Le polymère est électrochrome. Il absorbe la lumière dans l'état oxydé. Le maximum d'absorption du polymère oxydé, observé à l'aide d'une cellule étanche placée dans une spectromètre visible, se situe vers 0,5 gm. Si l'on excite la cellule avec des signaux carrés entre 3,5 et 4,5 V, on observe une réponse optique dont le temps de commutation typique est inférieur à 100 milli- secondes. EXEMPLE 1 APPLICATION DU FILM DE PPP A LA REALISATION DE CELLULES PHOTOVOLTAIQUES La figure 3 représente les caractéristiques de l'intensité du courant I (ampères) en fonction de la différence de potentiel ddp (volts) d'une cellule photo- voltaique (Al/PPP(lim)/ITO), dans le cadran o elle fournit de la puissance électrique. Un sandwich métal/PPP/électrode conductrice, o le PPP est préparé par le procédé selon la présente invention se révèle posséder, en présence d'oxygène et sous illumination U.V., des caractéristiques de cellules photovoltaiques: une partie des photons absorbés crée des porteurs de charges qui, séparés par le champ électrique régnant dans une zone de charge d'espace interne au polymère, peuvent fournir de l'énergie à un circuit électrique extérieur. Un film de PPP de 1 hm d'épaisseur (mesuré au microscope électronique à balayage)est déposé sur une pla- que de verre recouverte d'ITO comme montré sur la figure 1. De l'aluminium est évaporé sur le PPP (épais- seur 2 x li7m à travers un masque définissant des disques de 1 mm de diamètre. On s'intéresse par la suite au composant constitué par: 1 disque de diamètre de 1 mm d'Al/PPP/ITO sur lequel on prend deux contacts (contact référencé "+" par laque d'argent sur ITO, "-" par contact pression sur l'aluminium). Ce composant est alors illuminé à travers l'ITO par une lumière monochromatique centrée sur 429ni (nanomètre), et de puissance 1 gW (micro Watt). La caractéristique I (ddp) qui résulte de l'illumination est donnée par la Figure 3. On constate que ce composant se comporte comme une cellule photovoltaique capable de fournir de la puissance électrique: Sous un éclairement mono- chromatique (0,43 dm) de 0,127 mW/cm2: Tension de circuit ouvert: 1,3 volt Intensité de court circuit: 2,1 x 10-8 A/cm2 Rendement: 5 x 10-5; vitesse de balayage: lmV/sec. Son comportement en fonction de la longueur d'onde in- cidente montre un maximum de réponse vers 426,5 nm avec une forte décroissance du photocourant dès que l'on s'écarte de cette valeur. On peut ainsi réaliser des cellules photo- voltalques transparentes dans le visible. EXEMPLE 2 APPLICATION DU FILM DE PPP A LA REALISATION DE DETECTEUR- DOSEUR D'OXYGENE Les caractéristiques électriques des cellules photovolta!ques décrites dans l'exemple 1 évoluent sensiblement en fonction de la pression partielle d'oxygène dans le milieu environnant. L'état des caractéristiques électriques de la cellule est donc une sonde de la pression partielle en oxygène du milieu. On utilise pour cette application la cellule photovolta!que décrite dans l'exemple 1. On fixe le potentiel à ses bornes à zéro volt et on mesure le courant de court-circuit(Icc)sous illumi- nation à 0,43 gm. On fait passer sur le composant un flux d'azote auquel est mélangé une quantité variable d'oxygène (dosé avec un débitmètre à bille). On observe que le courant de court-circuit évolue réversiblement en fonction de la pression partielle d'oxygène dans le mélange (PPM). -1 PPM volume 02 Icc x 10 1 A 000 4,2 000 3,6 000 3,2 000 2,8 On démontre ainsi la possibilité d'utiliser une couche mince de polyparaphénylène pour doser les pressions partielles d'oxygène. Cet effet peut également se rencontrer avec d'autres gaz oxydants. EXEMPLE 3 APPLICATION DU FILM DE PPP DOPE A LA REALISATION DE CELLULES ELECTROCHROMES Le PPP neutre est transparent dans le visible en film mince, alors que dopé P ou N il absorbe la lumière aans cette gamme de fréquences. Le dopage électrochimique P ou N du PPP étant réversible dans certains solvants organiques, le PPP doit donc être considéré comme un électrochrome dans ces milieux: Transparent à un potentiel de 3 voltspar rapport au couple Li/Li+, il devient optiquement absorbant au-dessus de 4 volts (coloration rougeâtre) et en dessous de 1 '-olt par rapport à cette même référence. Le passage d'un état à l'autre se fait en un temps typique de 100 millisecondes. Ce comportement électrochrome est observé lors du dopage électrochimique de type P du film de PPP obtenu par le procédé selon l'invention. Ce dopage se déroule conformément à la description qui en est faite ci-dessus. Ainsi, l'électrode, qui est quasiment transparente (un peu jaunâtre) à 3, 5 vlts lorsque le polymère est dédopé, devient d'un rouge sombre au potentiel de 4,5 volts correspondant à l'oxydation partielle des chaines. On démontre un fonctionnement électrochrome réversible de cette cellule. Ce changement de teinte a pu encore 4tre observé sur une cellule qui a effectué 30000 cycles (1 cycle = 1 seconde à 3,5 volts et 1 seconde à 4,5 volts). EXEMPLE 4 APPLICATION DU PPP DOPE A LA REALISATION DE BATTERIE Les cellules électrochromes précédemment décrites peuvent être utilisées comme batteries secon- daires, car le dopage électrochimique N ou P s'accompagne de stockage réversible de charges négatives ou positives. L'électrode active étant un film mince, la capacité des batteries est faible, mais cellE-ci peuvent être inté- grées dans un composant mémoire, écran plate etco Ainsi, pour la réalisation d'une batterie à électrode active en couche mince, la cellule est celle utilisée lors du dopage. La Figure 2 montre que l'on peut réversiblement stocker et récupérer des charges dans l'électrode de polymère. Avec une vitesse de balayage de 100 mV/sec., correspondant à un cycle charge-décharge effectué en 20 secondes,la quantité de charge mise en jeu est 0,8 x 10-3 coulomb/cm2, la tension chutant à la décharge de 4,5 à 3,5 volts par rapport au couple Li/Li+. Si la vitesse de balayage est ramenée à mv/sec., la quantité de charge stockée monte à 1,7 x 10-3 coulomb/cm2. On montre donc la possibilité d'utiliser une couche mince de PPP déposéesur ITO comme électrode active d'une batterie secondaire. Le fait que l'ITO déposé sur verre est à la base de nouvelles tech- nologies(par exemple écrans plats), ouvre la perspective de batteries intégrées dans ce type de composant. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un film de poly- paraphénylène par électro-polymérisation, du type faisant appel à une réduction électrochimique d'un monomère de formule: Br Q Br o n est un nombre entier compris n entre I et 4, dans une cellule électrochimique comprenant une électrode de référence, une électrode de travail et une contre-électrode, baignées par un électrolyte compre- nant un ou plusieurs solvants aprotiques dont l'un au moins est dipolaire, et un sel de fond anhydre, en présence d'un catalyseur organométallique du type NiX2L o X est un halogène et L est un ligand, caractérisé en ce que l'élec- trode de travail est une cathode solide et en ce que le rapport catalyseur/monomère est compris entre 0,1 et 1. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de travail, ou cathode, est classée dans le groupe: graphite, carbone vitreux, or, nickel, platine, verre recouvert d'un oxyde conducteur du type SnO2 ou oxyde d'indium et d'étain (indium tinocKide ou ITO), verre recouvert de métal. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'électrode de travail est en verre recouvert d'ITO. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on soumet l'électrode de travail à une tension comprise entre -2,2 et -2,8 volts par rapport à l'électrode de réference. 5. Procédé de synthèse d'un film de polypara- phénylène selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on effectue la réduction electrochimique du monornère dans une cellule monocompartimentée. 6. Procédé selon l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que l'électrode de référence est une électrode argent/perchlorate d'argent. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la contre-électrode est une anode soluble en lithium ou magnésium, ou non soluble en or ou platine. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'électrolyte est un mélange constitué par 2/3 de solvant aprotique, 1/3 de solvant dipolaire, tel que le mélange THF - HMPT (2/3 - 1/3, exprimé en volume). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le sel de fond utilisé est choisi dans le groupe LiCl04, NaBF4 et NBu4BF4. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le monomère utilisé a la formule suivante: Br Q Br n o n est égal à 1 ou 2. 11. Procédé selon la revendication 1 à 10, caractérisé en ce que le rapport catalyseur/monomère est égal à 0,25. 12. Application du film de polyparaphénylène obtenu par le procédé selon l'une des revendications l à 11, à la réalisation de cellules photovoltalques et de détecteurs-doseurs d'oxygène. 13. Application du film de polyparaphénylène obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 11, à la réalisation de cellules électrochromes et de batteries, caractériséeen ce que le polyparaphénylène est utilisé sous forme dopée, le dopage étant obtenu direc- tement sur l'électrode de travail utilisée dans ledit procédé.