CA1276584C - Solid compounds based on superoxides exhibiting high ion conductivity, theirmanufacture, and related electrochemical uses - Google Patents

Solid compounds based on superoxides exhibiting high ion conductivity, theirmanufacture, and related electrochemical uses

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CA1276584C
CA1276584C CA000501926A CA501926A CA1276584C CA 1276584 C CA1276584 C CA 1276584C CA 000501926 A CA000501926 A CA 000501926A CA 501926 A CA501926 A CA 501926A CA 1276584 C CA1276584 C CA 1276584C
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anions
matrix
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Serge Lombard
Emmanuel Schmidt
Francis Jeanne
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Les compositions solides a base de superoxyde de l'invention comportent un matériau inerte vis-à-vis des anions O2- jouant le rôle de matrice à l'égard de ces anions, et des anions O2 - ces compositions formant un matériau stable jusqu'à environ 100.degree.C. Cette matrice permet la mobilité des ions O2- dans ce domaine de température. Ces compositions sont utilisables comme electrolytes dans une cellule électrochimique.The solid compositions based on superoxide of the invention comprise a material inert towards the O2 anions- playing the role of matrix with respect to these anions, and O2 anions - these compositions forming a material stable up to at about 100.degree.C. This matrix allows the mobility of O2- ions in this temperature range. These compositions can be used as electrolytes in an electrochemical cell.

Description

- 1 ~ Z,~s8~
"Compositions solides ~ base de superoxydes a conduction ionique ~levée, leur proc~dé de fabrication et leurs applications électro~
chimique~"~
L'inven-tion a pour objet de~ compositions solide~ ~ base de superoxydes présentant une conduction ionique ~levée, leur procédé de fabrication9 et leurs applications électrochimiques.
Elle vise, en particulier, leurs applications comme électrolytes dans des dispositifs de séparation ou d'analyse d'oxygène.
lo L'oxygène moléculaire ~2 est aisément r~ductible a 1 ~ état d'anion en raison de son caractère très électroactif ce qui le distingue des autres constituants de l'air (a~ote, gaz rares) et de nombreux autres gaz.
Les stades anioniqueQ successifs de la réduction de ~2 ~5 conduisent à ~2 (ion superoxyde), 022 (ion peroxyde) ou ~2 H
(ion hydroperoxyde) et, avec rupture de la liaison O-û, à 2 O~
ou 2 OH (ions oxyde et hydroxyde respectivement).
L'électrodiffusion de l'oxyg~ne souY forme anionique a déjà été envisagée pour s~parer l'oxyg~ne d'un milieu donné.
D'une manière générale, une première électrode ou cathode permet de réduire l'oxygbne moléculaire en un anion oxygéné qui migre à travers un électrolyte jusqu'à une seconde ~lectrode ou anode qui l'oxyde en reformant de l'oxygène moléculaire.
Plusieurs typeY d'électrolytes ont été propasés pour sé
parer l'oxygène par ~lectrodiffusion.
Les ~lectrolytes les plus largement utilisés en phase liquide sont constituéY par des solutions aqueuses de potasse et en phase solide par des zircone~ dopées par de~ oxydes tels que ceux d'yttrium Y2 ~3 ou de calcium Caû. Les anions oxygén~s mis en jeu corre~pondent respectivement à l'ion hydroxyde OH et à
l'ion oxyde O
Dans ces deux cas, l'oxygène mol~culaire subit une réduc-tion à quatre électrons par mol~cule et la molécule d'oxygène est coupée.
Les Qurtensions très fortes liées à la n~cesaité d'activer l'ensemble des réactions chimiques et électrochimiques aux ~lec-~1~
. :
- 1 ~ Z, ~ s8 ~
"Solid compositions ~ based on ion-conducting superoxides ~ lifting, their manufacturing process and their electro applications ~
chemical ~ "~
The object of the invention is to ~ solid compositions ~ ~ base superoxides with ionic conduction ~ lifted, their manufacturing process9 and their electrochemical applications.
It targets, in particular, their applications as electrolytes in separation or analysis devices oxygen.
lo ~ 2 molecular oxygen is easily reducible to 1 ~ state anion due to its very electroactive nature which distinguishes from the other constituents of air (a ~ ote, rare gases) and many other gases.
The successive anionic stagesQ of the reduction of ~ 2 ~ 5 lead to ~ 2 (superoxide ion), 022 (peroxide ion) or ~ 2 H
(hydroperoxide ion) and, with rupture of the O-û bond, at 2 O ~
or 2 OH (oxide and hydroxide ions respectively).
The electrodiffusion of oxygen ~ ne souY anionic form has already been envisaged for s ~ adorn the oxygen ~ ne of a given medium.
Generally, a first electrode or cathode reduces the molecular oxygen to an oxygenated anion which migrates through an electrolyte up to a second ~ electrode or anode which oxidizes it by reforming molecular oxygen.
Several types of electrolytes have been propased to dry adorn oxygen by ~ electrodiffusion.
The most widely used electrolytes in phase liquid are constituted by aqueous solutions of potash and in solid phase with zirconia ~ doped with oxides such as those of yttrium Y2 ~ 3 or calcium Caû. The oxygen anions ~ s in play corresponds ~ respectively to the hydroxide ion OH and to the oxide ion O
In these two cases, the molecular oxygen undergoes a reduction tion with four electrons per molecule and the oxygen molecule is cut.
Very strong Qurtensions linked to the need to activate all the chemical and electrochemical reactions to ~ lec-~ 1 ~
. :

2 ~6~4 tr~des entrainent une consommation énergétique tras sup~rieure à l'énergi~ th~orique de séparation de l'oxygène.
Par exemple, dans le cas d'un extracteur d'oxygène psr électrodiffusion dans une solution de pota~se, la tension ~
appliquer pour produire de l'oxygène sous 1 bar ~ partir de l'air atmosph~rique et la consommation d'énergie correspandante ~ont d'environ 100 fois les valeurs minimale~ données par la thermody-namique.
Dans le cas de la zircone trbs peu conductrice à tempéra-ture ambiante3 il est n~cessaire de chauffer au dessus de 600~C
pour obtenir une conductivité ionique suffisante et pour activer les réactions d'électrodes. L'emploi de hautes températures entraine psr ailleurs, des problèmes de réactivité chimique en phase gazeuse et des problames de corrosion de~ matériaux d'électrode.
D'autres milieux unt ét~ envisagés mai~ n'ont pu 8tre développés tel~ que les sels fondus à base de nitrates alcalins fonctionnant à des températures d'environ 250~. Dans ce cas, la corrosion des électrodes et la précipitation de peroxydes ont empêché l'application de ces milieux à la production d'oxygè-ne. De plus, dans une application en jauge de pression partielle d'oxygène, ces milieux présentent des temp~ de réponse de l'ordre de plusieurs heure~, ce qui les rend inutilisables dans la prati-que.
La séparation des gaz, et en particulier, l'extraction de l'oxygane de l'air sont des procéd~ généralenent co~teux en énergie. Les procédés d'électrodiffusion déjà mentionnés le sont particuli~rsment par suite des fortes surtensions d'électro-des at aussi des quantités de courant importantes requi~es, soit 4 faradays pour une mole d'oxygène transportée.
~ien que des efforts importants pour réduire les surten-sions aient été entrepris dans le domaine des électrodes à oxygène pour piles ~ combustible et dans celui des anodes ~ oxygène pour l'électroly~e de l'eau, le~ solutions le plus 30uvent proposées font appel ~ une électrocatalyse utilisant des composé~ coûteux ~
base de métaux précieux et/ou de molécules organique~ de synthèse délic~te.
2 ~ 6 ~ 4 very high energy consumption very much higher to the energetic ~ th ~ oric of oxygen separation.
For example, in the case of a psr oxygen extractor electrodiffusion in a pota ~ se solution, the tension ~
apply to produce oxygen at 1 bar ~ from air atmospheric and the corresponding energy consumption have about 100 times the minimum values ~ given by the thermody-namique.
In the case of very conductive zirconia with very low temperature ture ambient3 it is necessary to heat above 600 ~ C
to obtain sufficient ionic conductivity and to activate the electrode reactions. The use of high temperatures causes psr elsewhere, problems of chemical reactivity in gas phase and corrosion problems of materials electrode.
Other environments were not considered but could not be developed such as molten salts based on alkaline nitrates operating at temperatures of about 250 ~. In that case, corrosion of electrodes and precipitation of peroxides have prevented the application of these media to the production of oxygen born. In addition, in a partial pressure gauge application oxygen, these media have temp ~ response of the order several hours ~, which makes them unusable in practice than.
Gas separation, and in particular extraction of the air oxygan are procedures ~ generally costly in energy. The electrodiffusion processes already mentioned on are particuli ~ rsment due to strong overvoltages of electro-also at large quantities of current required, or 4 faradays for one mole of oxygen transported.
~ Although significant efforts to reduce surten-have been undertaken in the field of oxygen electrodes for cells ~ fuel and in that of anodes ~ oxygen for electrolyte ~ e of water, the ~ most 30uvent solutions proposed use ~ an electrocatalysis using compounds ~ expensive ~
base of precious metals and / or organic molecules ~ synthetic delicate ~ te.

3 ~7~iS89~
Par Qilleurs, les fortes intensités de courant nécessaires lorque le transport d'une mole d'oxyg~ne implique 4 faradays entralnent des pertes d'énergie par effet Joule a la fois dans le milieu électrolytique et dans les conducteurs. vc~ q Il a été proposé dans le brevet US 4 475 994 une méthode électrochimique de séparation de l'oxygbne de l'air ou d'un mé-lange de gaz, utilisant une cellule ~lectrochimique comprenant une cathode où l'oxygène est réduit en ion ~uperoxyde ~2- et une ano-de où l'ion ~2 est réoxydé en û2, le transport de l'ion supero-lo xyde étant as~uré par un électrolyte. Dans cette cellule, la réac-tion d'oxydo-reduction ne met en jeu qu'un seul électron par mo-lécule d'02.
Cependant, dans ce cas, l'anion sup~roxyde produit par voie électrochimique à la csthode n'existe que transitoirement, le temps de son transport a 1 ~ anode où il est réoxydé : il en ré-sulte qu'en l'absence de l'application d'un potentiel, la con-centration en ~2- est pratiquement nulle.
La cnncentration en ~2 durant le fonctionnement de cette cellule s'avère insuffisante par exemple pour une production ~a-tisfaisante d'oxygène, à partir d'un milieu donné le renfermant.
Les travaux effectués par la Demanderesse ont montr~
qu'en utilisant des compositions de superoxyde3 appropriée~, il est possible d'obtenir une concentration en ~2 favorisant la réaction d'oxydo-réduction de l'oxygène et, par 1~, la production d'oxygène.
L'invention a donc pour but de fournir de nouvelle3 com-positions do 3uperoxydes à conduction par ~2 élev~e-Elle viae également à fournir un procédé de pr~paration de ces compo~itions et de ~els de superoxydes de mi~e en oeuvre aisée.
L'invention a ~galement pour but de fournir des électro-lyte~ à ba3e de compo3ition~ de superoxyde3 a~surant la stabilité
et la mobilité de~ ion~ ~2 ~ ainsi que des dispositifs électro-chimiques renfermant de tels ~lectrolytes, utilisables notamment pour la separation de l'oxygène de l'air et la production d'oxy-gène.
Les composition3 solides ~ ba~e de superoxyde de l'inven-tion ~ont csract~ris~e~ en ce qu'elles comprennent :
3 ~ 7 ~ iS89 ~
By Qilleurs, the high current intensities required when transporting one mole of oxygen ~ only involves 4 faradays cause energy losses by Joule effect both in the electrolytic medium and in conductors. vc ~ q In US patent 4,475,994, a method has been proposed.
electrochemical separation of oxygen from air or a gas line, using an electrochemical cell comprising a cathode where oxygen is reduced to ion ~ uperoxide ~ 2- and an ano-where the ion ~ 2 is reoxidized in û2, the transport of the super ion lo xyde being as ~ uré by an electrolyte. In this cell, the reaction oxidation-reduction involves only one electron per mo-02 school.
However, in this case, the sup ~ roxide anion produced by electrochemical way to csthode exists only temporarily, the time of its transport has 1 ~ anode where it is reoxidized: it re-it follows that in the absence of the application of a potential, the con-centering in ~ 2- is practically zero.
The concentration in ~ 2 during the operation of this cell proves insufficient for example for a production ~ a-satisfactory with oxygen, from a given medium containing it.
The work carried out by the Applicant has shown ~
that using appropriate superoxide3 compositions ~, it is possible to obtain a concentration of ~ 2 favoring the redox reaction of oxygen and, by 1 ~, the production oxygen.
The object of the invention is therefore to provide new positions do 3uperoxides conduction by ~ 2 elevation ~ e-It also involves providing a preparation process.
of these compo ~ itions and ~ els of superoxides of mi ~ e used easy.
The invention also ~ aims to provide electro-lyte ~ à ba3e de compo3ition ~ de superoxyde3 a ~ ensuring stability and mobility of ~ ion ~ ~ 2 ~ as well as electro-containing such electrolytes, usable in particular for the separation of oxygen from the air and the production of oxy-uncomfortable.
The solid composition3 ~ ba ~ e of superoxide of the invention tion ~ have csract ~ ris ~ e ~ in that they include:

4 ~;~76~
- un matériau inerte vis-~-vis des anions superoxyde 0z , jouant le rBle de matrice à l'égard de ces anions, - des anions superoxyde ~2 ~
ces compositions formant un mat~riau stable, ju~qu'~ une température ne dépassant pas lOû~C environ, 1A matrice permettant la mobilité
des ions ~2 dans ce domaine de tRmpérature.
Par matériau inerte vis-a-vis des aniong ~2 on entend un matériau essentiellement aprotique et ne comportant pa~ de groupes susceptibles de réagir de façon irréversible avec ~2 meme dans des conditions aprotiques, à savoir essentiell~ment :
des groupes oxydants, des acides de Lewis, des centres électro-philes ou électrodéficients et des systèmes pouvant conduire à
une élimination en milieu basique.
L'étude de ces compo~itionR montre qu'elles possèdent deq propriétés de conductivité ionique élevée, ce qui les rend par-ticulièrement avantageuses comme mstériaux pour l'élaboration d'électrolytes.
Elles pr~sentent, en outre, l'avantage d'assurer une sta-bilité et une mobilité satisfai~antes des ions ~2 à des tempéra-tures mod~r~es, en particulier, ~ des températures de l'ordre del'ambiante à lOO~C environ.
En l'absence de tout potentiel appliqué, ces compositions solides contiennent une concentration minimale en anions supero-xyde ~2 d'au moins lO 2 milliéquivalents par gramme, notamment de l à 2 milliéquivalents par gramme.
D'une manière avantageuse, les compositions de l'invention présentent des propriétés filmogènes.
Des composition~ pr~f~rées se présentent sous forme de membrane dont l'~paisseur est de préférence inférieure ~ 500 y environ, avantageusement de l'ordre de lO à 500 ~, notamment d'environ 30 ~ lO0 ~.
La matrice, selon un mode pr~féré de réalisation des com-positions de l'invention est à bs~e d'un matériau macromol~culai re.
De préférence, le matérisu macromol~culaire est ~ base d'un matérisu polymère homo ou copolym~re, le cas ~chéant r~ticu lé.
4 ~; ~ 76 ~
- an inert material vis-a-vis superoxide anions 0z, playing the matrix role with respect to these anions, - superoxide anions ~ 2 ~
these compositions forming a stable material, ju ~ qu ~ a temperature not exceeding lOû ~ C approximately, 1A matrix allowing mobility ~ 2 ions in this temperature range.
By inert material vis-à-vis aniong ~ 2 means an essentially aprotic material and not comprising pa ~ of groups likely to react irreversibly with ~ 2 even under aprotic conditions, namely essentially:
oxidizing groups, Lewis acids, electro-centers philes or electrodeficient and systems that can lead to elimination in a basic medium.
The study of these compo ~ itionR shows that they have deq properties of high ionic conductivity, which makes them par-particularly advantageous as materials for the preparation of electrolytes.
They also have the advantage of ensuring a stable bility and mobility satisfai ~ antes of ions ~ 2 at temperatures-tures mod ~ r ~ es, in particular, ~ ambient temperatures of around lOO ~ C.
In the absence of any applied potential, these compositions solids contain a minimum concentration of super anions xyde ~ 2 of at least 10 milliequivalents per gram, in particular from 1 to 2 milliequivalents per gram.
Advantageously, the compositions of the invention have film-forming properties.
Composition ~ pr ~ f ~ rees are in the form of membrane whose ~ thickness is preferably less than 500 y approximately, advantageously of the order of 10 to 500 ~, in particular about 30 ~ 10 ~.
The matrix, according to a preferred embodiment of the positions of the invention is to bs ~ e of a macromol material ~ culai re.
Preferably, the macromol ~ cellular material is ~ basic of a homo or copolymeric polymer material ~ re, the case ~ expensive r ~ ticu the.

5 ~7~
, CP matériau polymère,capable d'assurer aux ionR ~2 une mobilité satisfaisante pour une utilisation en électrochimie, est plus spécialement constitu~ par un matériau au moin~ partielle-ment amorphe aux températures de miRe en oeuvre.
5Il est en outre pr~férable de choisir un matériau polymè-re syant la constante diélectrique la plus élevée pos~ible.
Avantageusement, la température de transition vitreuse Tg de la phase form~e par la matrice polymère contenant les anions ~2 est relativement basse, inférieure ~ 50~C environ.
loPlus particulièrement9 cette Tg est inférieure de 50~C
environ ~ la température de fonctionnement.
Ce matériau polymère peut 8tre form~ d'un seul type de polymère ou de copolymère. Le polymbre ou le copolymère peut être neutre, un sel de superoxyde étant dissous dans la matrice polym~-15riqu~. En variante, il comprend des site~ chargés, pluq spéciale-ment, une majorité de ~ites cationiqueY, ~2 constituant l'un des contre-ion~.
Selon une variante, plus particulièrement lorsqu'on sou-haite rendre un polymère de base plu9 amorphe et/ou lorsqu'on 20scuhaite abaisser la température Tg de la composition, le matériau polymère est form~ d'un mélange de polymères et/ou de copolymère~.
Les copolym~res sont des copolymère~ blocs ou séquencés (dans lesquels l'enchainement des motifs e~t régulier) ou encore des cooolymères statistiques (dans lesquels l'encha~nement des motif-~ est effectué au hassrd, ce qui s'oppose ~ la cristallisa-tion de~ chaines).
On notera que chaque compossnt du m~lange ou copolym~re peut etre choisi avantageusement en vue d'améliorer une propriété
donn~e, par exemple, le caract~re smorphe, la conductivité, la constante diélectrique, le caractère hydrophobe, la tenue de temp~rature, les propriété~ filmogènes, le contact avec un maté-riau voisin.
~tDeY copolymères de ce type comprennent des produits de f -'type ~ P-CPOE-POP, en particulier, ceux commercialisés SOU9 la marque/ PLURACûL, dont chaque ~egment poq bde une masse molaire d'environ 3000.
Le terme général de matériau polymère recouvre aussi bien les polymères mis en oeuvre seuls que les mélange~.
.
5 ~ 7 ~
, CP polymer material, capable of providing ionR ~ 2 a satisfactory mobility for use in electrochemistry, is more specially constituted ~ by a material at least ~ partial-ment amorphous at the working temperatures.
5It is also pr ~ preferable to choose a polymer material-re seizing the highest dielectric constant pos ~ ible.
Advantageously, the glass transition temperature Tg of the phase formed by the polymer matrix containing the anions ~ 2 is relatively low, below ~ 50 ~ C approximately.
loPlus particularly9 this Tg is 50 ~ C lower approximately ~ operating temperature.
This polymer material can be formed from a single type of polymer or copolymer. The polymer or copolymer can be neutral, a superoxide salt being dissolved in the polym ~ matrix -15riqu ~. As a variant, it includes loaded sites, more special ones.
ment, a majority of ~ ites cationiqueY, ~ 2 constituting one counter-ion ~.
According to a variant, more particularly when the wants to make a base polymer more amorphous and / or when 20scuhaite lower the temperature Tg of the composition, the material polymer is formed ~ of a mixture of polymers and / or copolymer ~.
~ Res copolymers are block or block copolymers (in which the sequence of patterns is regular) or even statistical cooolymers (in which the sequence of motif- ~ is performed at hassrd, which is opposed to ~ crystallization-tion of ~ channels).
Note that each compossnt of the mixture or copolymer can be advantageously chosen to improve a property given, for example, the smorphic character, the conductivity, the dielectric constant, hydrophobicity, resistance to temperature ~ temperature, film-forming properties, contact with a material neighbor laugh.
~ tDeY copolymers of this type include f -'type ~ P-CPOE-POP, in particular, those marketed SOU9 la brand / PLURACûL, each of which ~ eq poq bde a molar mass about 3000.
The general term polymer material also covers well the polymers used alone as the mixture ~.
.

6 ~2~65~
Un premier groupe de polymères préférés comprend des po-lyoxydes d'alcoylène.
Parmi les polyoxydes d'alcoyl~ne, le polyoxyde de propy-lène (POP), formé de motifs r~pétitifs de formule -CH -CH~O

convient particuli~rement.
D'une manière générale, la masse molaire du POP mis en oeuvre est avantageusement de l'ordre de 50 000 ~ 100 OOû.
Le polyoxyde d'éthylbne (POE) dont les motife constitutifs lo répondent b la formule -CH2-CH2-0- constitue également un polym~re approprié compte-tenu de ses bonnes propriétés de solvatation et de la valeur élevée de sa constante diélectrique ( ~ = 4,5).
Sa température de transition vitreuse varie d'environ -80 à -16~C
en fonction de la ma-Qse moléculaire.
lS Etant donné que la solubilité du POE dans les solvants organiques diminue fortement lorsqu'on d~passe une masse mol~cu-laire de 106, on opère avantageusement avec des POE de masse moléculaire inf~rieure, avantagsusement de l'ordre de 6ûO 000.
Un deuxième groupe comprend des polyphosphaz~ne4, plu8 spécialement des polyphosphazènes substitués par des groupements éther.
Il s'agit plus spécialement de produits comprenant des m~tifs du type : , OR
-N = p _ OR' n dans leqùel R et R' représentent des chaInes hydrocarbonées satu-rées, comprenant éventuellement un ou plusieurs h~téroatomes de préférence û et N, éventuellement associées à des groupes aro-matiques, et n est le nombre de motifs dans le polym~re.
Dans le groupe des polyphosphaz~nes, on pourra également utiliser des polyphosphazènes substituks par de~ groupements por-teurs de fonction amine secondaire, amine tertiaire ou ammonium quaternaire, seules ou en combinaison.
Il s'2git en particulier des composé~ comprenant des motifs du type :
6 ~ 2 ~ 65 ~
A first group of preferred polymers comprises alkylene lyoxides.
Among the polyoxides of alkyl ~ ne, propylene polyoxide lene (POP), formed of r ~ petitive units of formula -CH -CH ~ O

particularly suitable.
In general, the molar mass of the POP used work is advantageously of the order of 50,000 ~ 100 OU.
Polyethylene oxide (POE) whose constituent motives lo respond to the formula -CH2-CH2-0- also constitutes a polym ~ re suitable given its good solvating properties and the high value of its dielectric constant (~ = 4.5).
Its glass transition temperature varies from about -80 to -16 ~ C
as a function of molecular ma-Qse.
lS Since the solubility of POE in solvents organic strongly decreases when we pass a molar mass area of 106, it is advantageous to operate with mass POEs lower molecular, advantage of around 6,000,000.
A second group includes polyphosphaz ~ ne4, plu8 especially polyphosphazenes substituted by groups ether.
These are more specifically products comprising m ~ tifs of type:, GOLD
-N = p _ OR 'n in which R and R 'represent saturated hydrocarbon chains rees, possibly including one or more h ~ teroatoms preferably û and N, possibly associated with aro- groups matiques, and n is the number of patterns in the polymer.
In the group of polyphosphaz ~ nes, we can also use polyphosphazenes substituted by ~ groupings secondary amine, tertiary amine or ammonium function quaternary, alone or in combination.
It consists in particular of compounds comprising patterns of the type:

7 ~2~
f NHR 1 ~ 1 2 _ -P = ~ ;P = N-_NHR' n ~NR3R4R5 n dan~ lesquels R, R', Rl, R2, R3, R4 et R5 sont tels que définis ci-dessus pour R et R'.
Un troisième groupe comprend les polyamides ~ baYe de motif type : 7 R-C-N-o dans lesquels R et R' sont tels que définis ci-dessus.
Dans un quatrième groupe, le polym~re utilisé pour l'éla-boration de la matrice est un polyalcoylèneimine, plus spéciale-ment un poly~thylèneimine substitué comprenant des motifs du type ~-N-CH2-CH2 ~n avec R tel que défini ci-dessus.
Les polymères de ces différents types sont substitués, le cas éch~ant, étant entendu que les substitutions conservent le caractbre aprotique et inerte, vis-à-vig de ~2 ~ de la matrice.
Des polym~res substitués avantageux comprQnnent des chai-nes perfluoroalcoylQ.
Selon une autre disposition de l'inventian, ces polym~rescomportent des sites gr~ffés chargés ou non, permettant la sol-vatation transitoire de ~2-- Le ~ites greffés jouant le rôle de sites-relais sont mobile~ et situés en ~out de chsines lat~rales, à plueieur9 maillons de di9tance du squelette carboné du polymère de baYe. Le site greffé peut ~tre constitué par un mctif des po-lymares considérés ci-de~sus.
De pr~férence, il s'agit de greffons constitué~ par de~
groupes pyridyle.

D'autres greffons sont du type sulfon~mide~ - S - N - R', avec R et d R' telY que définis ci-deQsus.
Un autre groupe encore de polym~re~ comprend une ou plu-sieurs ré~Qine~ contensnt des anions échangeable~ par ~2 -Des résine~ préférées sont constituéeY par des résines ammonium quaternaire comprenant des motifs telQ que :
' ' 8 3L2~5~4 - N-(CH2)n -- , R' et RR' R R' dans lesquels R et R' sont tels que définis ci-des~us.
Les anions de la r~sine pourront être choi~is notamment parmi les anionQ fluorure~ chlorure, hydroxyde, iodure, tétraphé-nylborate, carbonate ou acétate, préalablement échangés, tout ou en partie, par des anions ~2-~
La résine utilisée dans le mat~riau polymère pourra être un homo ou un copolymere ionique, élaboré ~ partir d'un monomère ammonium quaternaire vinylique ou allylique, seul ou en copolymè-re ~vec d'autres monomères ammmonium quaternaire allylique ou vinylique différents.
D'une manibre avantageuse, l'utilisation, pour la préparation de compositions de superoxyde selon l'invention, d'un sel de té-trapnénylborate et d'un sel de poly(diallyldiméthylammonium) per-met d'obtenir des compositions de superoxyde conforme~ a l'inven-tion ayant une concentration ~lev~e en ion~ ~2 et présentant à
la fois une longue durée de vie et une bonne stabilit~ thermique.
Selon une disposition avantageuse de l'invention, le ma-tériau polymère comprend, en outre, alJ moins un additif capa ble, notamment d'augmenter sa constante di~lectrique et/ou son caractère amorphe ou~ le cas éché&nt, de le rendre au moin~ par tiellement amorphe lorsqu'il 9 'agit d'un polymère de bsse cris tallin ou partiellement cristallin, et/ou encore de favoriser la compatibilit~ des constituants de la composition.
Des composé~ convenant à cet effet comprennent des polym~-re-Q, plu9 sp~cialement du type de ceux définis ci-dessu3, de~
agentQ plastifiant-~ ou encore des 8el3, de pr~f~rence de faible énergie r~ticulaireO
Comme plastifiants, on citera le~ plastifiants polaires -~Z~65;1~4 g telR que le~ composés cyan~s. Les travaux effectués montrent q'un composé qui porte des groupe~ cyanés du type 2,4,6-trimétho-xyben~onitrile convient particulièrsment.
En variante, la constante diélectrique est augmentée par mise en oeuvre de matériaux polym~r2s comportant des groupe-ments polaire~ portés par des chalnes latérale~ orientableQ.
Des groupes de ce type comprennent les groupes perfluorométhylés.
Lorsque le matériau polymère comprend plusieurs polymbres ou copolymères, an observe que certains 3uperoxyde~ permettent d'augmenter la compatibilité des polymères. Cet effet Favorable est observé par exemple avec le superoxyde de tétrabutylammonium quaternaire.
Des additifs ioniques appropri~s, notamment pour augmenter ~ et/ou la compatibilit~ du ou des polymèreQ et/ou copolym~res Pntre eux et/ou, le ca~ échéant, avec le 8el de ~uperoxyde9 com-prennent des sels de type A NRI4 dan lequel :
~A- est un anion tel que C104 , B(C6H5)4 , Cn,F2n,+l 503 et -R représente une chalne hydrocarbonée saturée, pouvant contenir un ou plusieurs hétéroatomes, de pr~férence 0 et N et n' est un entier de 1 à 10 environ.
Comme additifs neutres, on citera des compos~9 comportant en particulier un noyau pyridine tel que la 2,2'-bipyridine.
Dan~ le cas o~ la tenue mécanique du polymère doit être renforcée, le matériau polymère défini ci-des~us se présente sous for~e réticulée ou encore 90U8 forme tram~e comportant, notamment, une trame form~e à partir d'un autre polymère ou copo-lymère inerte vis-à-vis des ions ~2 .
Selon un autre mode préféré de réalisation, la matrice contenant les ions ~2- e3t l'association d'un liquide, éventuel-lement g~lifié, et d'un support con~titué par un matériau Qolide autori3ant la percolation des ions ~2 ~ c'est-à-dire la migration continue de~ ion3 ~2 d~une r~ion à l~autre du matériau.
Des matériaux solides pr~férés présentent une bonne tenue mécanique et comprennent de~ supports7 de préférence minces, psr exemple à base de verre ou de céramique, tels que fibres de verre agglom~r~es, verre fritté ou verre poreux, ou ~ ba~e 10 127~ 4 de polymare mouillable, poreux ou gonflable par une Qolution d'imprégnation, ce polymbre étant inerte vis-à vis des consti-tuants de la solution.
Le liquide suppDrté peut 8tre un sel de superoxyde fondu S ou en solution concentrée d&ns un solvsnt compatible.
Ces matériaux supportés présentsnt, notamment, l'avantage d'une bonne tenue mécanique, d'une forte concentration de porteurs ~ions û2-) dans le support et d'une grande mobilité de ces por-teurs. On évite le problbme d'évaporation du solvant lorsque lo le solvant est à faible tension de vapeur ou gélifié.
Comme indiqué ci-dessus, la matrice forme avec le supero-xyde un matériau stable aux températures considér~es.
On notera qu0 le terme "superoxyde" employé seul dans la deqcription et les revendications désigne le sel O+ û2 formé
avec des cations C~ minéraux ou organique~.
Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, les cations C~ représent~nt des cations min~raux.
Des superoxydes minéraux appropriés comprennent les supe-roxydes des métaux monovalents, plus spécialement des métaux alca-lins, tels que Naû2, K02, RbO2 et Csû2. D'autres superoxydes com-prennent des superoxydes de métaux de transition sous forme de complexes.
Selon un autre mode de r~alisation, particulièrement préféré en raiQOn de3 propriétés de compatibilité élevée dea ~uperoxydes avec le~ matériaux polymères de la mstrice, les ca-tions C+ représentent un ou plu3ieurs cations organiques. De~
superoxydes de cations organiques sp~cialement prbfér~s pour la mise en oeuvre de l'invention comprennent de~ superoxydes d'ammo-nium q~otsrnaire utilisés seuls ou en m~lange.
Parmi les produits de ce type, on citera les superoxydes de tétraalcoylammonium quaternaire NR4+û2 dan~ lesquels R re-présente un radical alcoyle de pr~férence de l b lO atome~ de carbone environ.
Dea superoxyde~ de ce type comprennent le superoxyde de tétramiéthylammonium quaternaire TMA+02 , le -~uperoxyde de tétrabu-tylammoniun quaternaire TBA+02 et le superoxyde de tétrahexylam-monium quaternaire THA+02 -11 127~i584 Le Ruperoxyde TMA~02 s'avère particuli~rement avantageux en raison de sa grande stabilité (il fond vers 97~C et se dbcompo-se à une température légèrement supérieurej et de sa solubilité
élev~e dans plusieurs solvants organiques (environ 0,05M danq l'acétonitrile).
Dans une variante, les groupes alcoyle des cations t~-traalcoylammonium des superoxydes mis en oeuvre sont remplacés par des groupes éther, par exemple, de structure - -- ~(CH2j2 ~~~n CH3 dans laquelle n est un entier, de préf~rence de 1 à 5 environ.
Selon une autre variante, les superoxydes utilisés pour l'ensemencement sont solvatéq par le ou les solvants mis en oeu-vre pour leur préparation, le plus généralement la pyridine.
Cette solvatation conduit avantageusement à un effet fa-vorable sur la stabilité du système.
Les compositions de l'invention sont préparées par incor-poration d'anion~ ~2 dans une matrice telle que définie ci-des-sus. Cette opération d'incorporation correspond à un ensemence-ment de la matrice en ion~ ~2 .
Selon une variante de réalisation, on effectue l'incorpo-ration par voie chimique en pr~sence d'un solvant dans lequel la matrice et le superoxyde sont solubles ou peuvent être rendus solublea ~ l'aide d'additifs.
Le solvant mi-~ en oeuvre est un solvant aprotique tel que la pyridine, le benzène ou le toluène.
Lorsque le ael de superoxyde e-~t un sel min~ral, pour facilitsr la ~olubili-Qation du sel et/ou augmenter la taille des cations afin de diminuer le puits de potentiel qu' il9 constituent pour les anions, on utilise selon les techniques classiques un agent complexant des cations alcalina tel qu'un éther couronne ou un cryptand.
Selon une autre variante de réalisation, l'ensemencement en o ~ e~t effectué par voie électrochimique par réduction catho-dique d'oxygène mol~culaire selon la m~thod0 d~crite dans le bre-vet US 3 102 140 au nom de Callery Chemical Cy.
D'une manière préf~rée, l'incorporation d'aniona ~2-dans la m.trice électrochimique est r~alisée en remplaçant des 12 ~ 2~5~
anionR électroactifs préexiYtant dans la matrice, lesditq anion~
étant ~limin~s psr oxydation anodique au fur et à mesure de la création d'ions 0~ ~ une cathode soumise à un flux d'oxygène gazeux ou dissous.
S Pour préparer les dérivés de superoxydes sou~ forme de membrane, on procède ~ l'évaporation du ou de~ solvants d'un mé-lange conRtitué d'une part d'une solution du mstériau constituant la matrice et d'autre part d'une ~olution de ~el de superoxyde, ces solutions étant dégazées.
lo L'évaporation est réalisée, de préf~rence, sous courant de gaz sec tel que l'azote et à température contrôl~e. On utilise un support plan en un matbriau inerte vis-à-vi~ des réactifs mis en oeuvre, par exemple, du polytétrafluoroéthylène (PTFEj. Après évaporation du ou des solvant3 le3 membrane~ formées sont séchées.
Selon une di~position avantageuae de l'invention, qui permet d'augmenter la conductivité, la membrane est soumise au moins unP opération de recuit, de pr~férence ~ une température légèrement inf~rieure à la température de fusion du matériau de la matrice en~emencée, dans la mesure où le superoxyde n'est pas dégrad~ à cette température.
Pour améliorer la tenue m~canique du matériau polymère, on effectue un tramage du polymère de base ~ l'aide d'un autre polymère ou d'un copolymère selon les techniques classiques.
On peut également réticuler le matériau avant, ou, le cas échéant, aprè~ incorporation du ~uperoxyde, notamment par irradiation ou par photoréticulation UV.
Le~ superoxydes de tétraalcoylammonium quaternaire NR4+02-peuvent être préparés de mani~re clas~iqua par électrolyse d'un halogénure de tétraalcoylammonium NR4+ X~ dans lequel R est tel que défini ci-desaus et X représente un ion halog~nure et r~duc-tion de l'oxygène ou, selon une autre variante, par une réaction solide-solide suivie d'une extraction, comme décrit dans Inorg.
Chem. 1964, 3, 1?, 1798-9, et 1983, 22, 18, 2577 ~3.
Le~ ~uperoxydeq NR4l02 peuv8nt ~tre pr~parés par une réaction de métathèse entre :
a - un sel d'ammonium quaternaire dont l'anion inerte vis-~vis de ~2 e9t choisi de pr~f~rence parmi le~ anions F , I , OH , N03 , 13 ~Z'7~Sl~
C104-~ ~ Ph4 , CH3COO , C03-- et b - un excbs de superoxyde dont le cation est un cation de métal alcalin, de pr~férence K+ ou un cation ammnnium quaternaire, de pr~férence TMA+~
Cette métathèse peut, en effet, ~tre effectuke comme réaction solide-solide, selon le brevet US ci-dessus, suivie d'une extrac-tion de NR4+ ~2 dan~ NH3 liquide.
Conformément b une dispo~ition originale de l'invention, la réaction de métathèse est réalisée dan~ un solvant organique tel que le benzène, le toluène, le ca~ échéant, le diméthylsulfo-xyde DMSO, et de préférence, dans la pyridine.
L'~tude électrochimique des compositions à base de super-oxyde ci-dessus a permis de mettre en évidence leur~ propriétés de conduction anionique élevée et ce, de manière avantageuse, dans une gamme de température allant de l'ambiante à 100~C envi-ron.
Ce~ compositions permettent plus spécialement la diffusionde l'oxygène sous forme ~2- tout en constituant une barrière imperméable aux autres gaz non ionisable~ dans les m~mes condi-tions que ~2 L'invention vise donc de nouveaux matériaux électrolyti-ques ~ base de compositions de superoxydes telles que d~finies ci-dessus.
On notera que les con3titusnts du matériau électrolytique présentent une bonne ~tabilité chimique vis-à-vis de ~2 mais également vis-à-Yi~ des eRpèce~ chimiques ~ventuellement produiteR
par les réactiona de û2 avec les impuretés du matériau, en par-ticulier ViS-~-Vi9 des espèces peroxydées (peroxydes) hydrope-roxydes, peroxydates) issues de la dismutation des ~uperoxydes.30 La présence de tout élément favorisant ou cstalysant la dismuta-tion des ~uperoxydeq doit donc ~tre évitée.
Le matériau électrolytique peut être, en outre, conduc-teur cationique dans la mesure où le9 cstions ne sont pa9 trop encombrants et où leur diffusion ne limite pas la conductivité
anionique.
Selon une autre disposition de l'invention, ce matériau électrolytique est rendu conducteur électronique par exemple 1~ ~Z'7~;$- !34 par incorporation de particules conductrices électroniques telles que les particules de carbone ou de magnétite Fe304 Ces maté-riaux pr~sentent l'avantage de pouvoir ~tre utilisés dans dea dispositifs mettant en jeu une diff~rence de pression partielle d'oxygène au lieu d'une différ~nce de potentiel électrique.
Cette conductivité électronique n'est cepen~ant pas sou-haitable lorsqu'on utilise un générateur électrique dans le cir-cuit, ou lorsqu'on cherche ~ g~nérer une tension électrique car elle conduirait à une perte d'énergie ou à une auto-décharge.
En mettant ~ profit les propriétés filmogènes des maté-riaux de matrice, les électrolytes de l'invention sont avanta-geusement préparés sous forme de membranes, ce qui permet de dis-poser de grandes surfaces.
Des membranes préférées présentent des épaisseurs inf~-rieures à 500 ~, en particulier de l'ordre de 10 à 500 ~ avanta-geusement d'environ 30 ~ 100 ~.
Des matériaux de matrice particulièrement avantageux pour l'élaboration de membranes tran3parentes homogène3 compren-nent un matériau polymère, sn particulier, un polyoxyde d'alcoy-lane tel que défini ci-dessus.
Des membranes électrolytiques de conductivité élev~e comprennent un copolymère, plu8 spécialement un copolymère sta-tistique avec des unités OE(oxyde d'~thylène)et OP(oxyde de pro-pylène).
Le pourcentage des motifs OP e t avantageussment d'au moins environ 5 Z , de préférence, d'environ 40 ~ dans le copoly-mère dont le poids moléculaire est plu9 spécialement de l'ordre de 50ûO ~ 50û 000.
D'autres membrane~ comprennent un mélange de polymères et d'un ou plusieurs additifs.
Ges proportions pond~rales préférée~ des constitusnt~
de la membrane, mélange de polym~re~/additifq/superoxydes, sont d'environ 6/1/2.
Des membranes avantageuses de ce type sont à ba~s de POE
et comprennent un autre pclymère tel que POP, de pr~férenca selon un rapport de 4/2 environ.
Comme composition, on citera POE/POP/additi~ tel que 15 ~;~7~S5~
THAP(tetrahPxylam~onium perchlorate)/sel de superoxyde tel que TBAO~ selon les proportions pond~rales d'environ 3b5/2/1/2 ou encore, POE/POP/additif tel que THAP/superoxyde tel que K02/agent complexant tel que l'éther couronne 18-crown-6 selon les propor-S tions d'environ 3à5/2/1/0.4/0.4.
t'invention vise également des dispositifs ou cellules électrochimiques de transport sélectiF d'oxygène mettant en jeu, comme transporteurs d'oxygène et de courant, des ions ~2 se déplaçant au sein d"Jn matériau électrolytique tel que défini lo ci-dessus.
Des cellules préférées sont caractérisées en ce qu'elles comportent le matériau électrolytique, avantageusement sous forme de membrane, confiné entre deux électrodes coextensives face contre face avec ledit film, ce~ éle~trodes étant c~nstituées d'un matériau conducteur perméable aux gaz, poreux, inerte vis-à
vis du mat~riau électrolytique à température inf~rieure à 100~C
et inoxydable au moins pour ce qui concerne l'anode.
Les matériaux des deux électrodes sont identiques ou différents.
La chaIne ~lectrolytique élaborée à partir des électro-lytes de l'invention répond à la séquence suivante : (milieu 1) cathode/électrolyte/anode (milieu 2).
L'oxygène moléculaire du milieu 1 est réduit à la cathode à l'état d'anion ~2 par une réaction monoélectronique ~2 + e ~~~~ ~2 quasi-réversible en l'absence de protons dans le milieu.
L'ion ~2 diffuse dans l'électrolyte et va se décharger a 1 ~ anode selon une réaction également mnno~lectronique, quasi-réversible~ correspondant à l'équation : ~2~ e~ + û2.
L'oxygène peut se combiner au métal ou matériau de l'anooe si ce dernier est oxydable, ou se d~gager sous forme gazeuse dans le cas contraire.
On remsrquera avec intér@t que la réaction globale cor-respond au transfert d'une mol~cule d'oxygène pour chaque ~lec-3~ tron mis en circuit alors que quatre électrons étaient nécessai-reR dans la technique antérieureO
En outre, on notera qu'il ne se produit à aucun moment de coupure de la liaison oxyg~ne-oxygène, l'ion superoxyde étant : ..
16 ~ 2~76~
un ion moléculaire.
La mise en oeuvre de processus r~versibles, tant 3 la cathode qu'à l'anode, permet de r~duire l'énergie d'activation à apporter au système ~oit SOU8 forme ~lectrique ou soua forme thermique (gain en coût énergétique de fonctionnement), soit par des moyens catalytique~ (gain en investissement).
D'une manière générale, il e~t ainsi possible de diminuer de manière notable les surtensions aux électrodes, d'abaisser les températures de fonctionnement et de simplifier, danY le~
dispositifs électrochimiques utili~és, la technologie dzs élec-trodes qui n'auront pas à assurer une électrocatalyse particuliè-rement délicate dans le cas des ions OH-.
Le~ matériaux d'électrode sont spécialement choisis parmi leq matériaux capables d'ac~élérer la réaction redox ~2 (adsorbé) ~ e - > ~2 et n'entraInant pas de chimisorption dissociative de la molécule d'oxygène.
Des mat~riaux appropriés comprennent des matériaux per-méables aux gaz à base de carbone, par exemple de carbone vitreux ou de graphite, éventuellement soutenus mécaniquement par une trame conductrice ou non, par exemple un tissu de polypropylène.
Le carbone peut atre incorporé SOU3 forme de particules et/ou de fibres dispersées dan un mat~riau polymare.
La matériau conducteur à base de carbone peut @tre égale-ment formé d'une nappe éventuellement tiss~e, un feutre ou un papier de carbone.
D'autres matériaux appropriés comprennent un métal peuoxydable ~ous une forme dispersée dans un matériau polymère ou SOU8 forme de nappe ~ventuellement tissée.
Pour la cathode, le metal peut ~tre form~ d'acier recou-vert d'un dép~t par exemple de platine ou de nickel.
Selon une variante de réalisation, les électrodes ~ont form~es d'une combinaison de mat~riaux.
Un type de combinaison comprend une trame d'un polymère, dotée de propriétéq de résistance élevée, supportant un film très mince de polymère conducteur électronique lui-m~me charg~
de poudre de carbone vitreux ou d'un au~re produit assurant un bon transfert électronique.
17 ~ ~
Selon un autre type de cumbinaison, les électrode~ sont formées d'un ou de plusieurs matériaux leur conférant des pro-priétés de conduction à la fois électronique et ionique vis-~-vi3 de ~2 .
Selon une autre variante, le dispo3itif ~lectrochimique comprend, interpo~é entre l'électrode et l'~lectrolyte, un film d'un conducteur mixte, électronique et ionique, dans lequel ~2 est soluble, ce qui permet d'effectuer la réduction de ~2 dans un grand volume et non p8S seulement ~ la surface électrode-lo ~lectrolyte.
Selon encore une autre variante, les électrodes sont formées d'un système asym~trique, le c~té cathodique favorisant l'écoulement de gaz pour limiter la polari~ation de la phase gazeuse et re~treindre les réactions d'électrode ~ la réduction de ~2 à un seul électron, et le c8t~ anodique faYorisant l'oxy-dation de ~2 et le départ de l'oxygène gazeux.
Des performances 3atisfaisantes à l'échelle industrielle sont obtenues à l'aide de dispositifs à grande surface de membra-nes et de compacité élevée.
Selon un procédé avantageux de mise en oeuvre, ce3 dispo-sitif~ se présentent sous forme de petit modules de quelques dizaines à quelques centaines de m2 chacun~
Il s'agit notamment de modules cylindriques où la membrane est enroulée en spirale, du type de ceux utilisés en perméation gazeuse classique. Dans ces cylindre~, les couche enroul~es se succèdent avantageusement comme suit : cathode/membrane/ano-de/membrane /cathode... Les cathodes d'une part 9 les anodes d'autre part sont perméable~ aux ga~ et d~pas~ent chacune d'un c~té du cylindre dans la direction axiale de façon ~ être reliées aux amenées de courant. La circulation des gaz s'effectue selon le mode dit à courantY crois~s à l'intérieur des électrode3 poreu-ses, l'oxygène étant collecté dans l'axe du cylindre.
Un autre type de module approprié comprend la mise en forme des membranes dans les boitiers avec con~titution de "sand-wiches" cathode/membrane/snode, pliés en accordéon dan~ le bo~-tier constitué psr exemple par des faces de mat~risu isolant étanches aux gaz et des faces conductriceR distribuant courant et gaz.
' 18 ~.~7~84 Les modul~R sont group~s en s~rie, en parallèlz ou en séries parallèle Selon encore un autre aspect, l'invention vise un procédé
de transFert sélectif d'oxygène d'un premier milieu à un second milieu selon lequel on met en oeuvre la réduction ~lectrochimique d'oxyg~ne conduisant à la formation transitoire d'ions ~2-~ la diffusion sous forme ~2 dans un matériau ~lectrolytique tel que défini ci-dessus, qui constitue par ailleurs une barribre prati-quement complètement imperméable aux autres gaz, et l'oxydation lo en oxygbne des ions ~2 .
Dans un mode pr~féré de réalisation de ce procédé, on impose une différence de potentiel, ~ l'aide d'un générateur électrique extérieur, aux bornes des électrodes d'une cellule tel-le que définie ci-dessus, séparant le~ milieux évoqués plus haut.
L'électrode El utilisée comme cathode est adjacente au premier milieu et celle utilisée comme anode E2 est adjacente au secon~ milieu.
Dans ces conditions, l'oxygène du milieu l est consommé
au niveau de l'~lectrode El : une réaction électrochimique de réduction le transforme en ions ~2 qui migrent jusqu'à l'élec-trode E2 ob se produit une réaction électrochimique inverse de laprécédente (oxydation de l'anion en oxygène qui se dégage dans le milieu 2).
Le bilan de cette chaine de processus est un transfert d'oxygène du milieu l au milieu 2, obtenu au prix d'une consomma-tion d'énergie électrique.
On notera qu'il est aussi possible par ce processu~ decomprimer de l'oxyg~ne dan~ le compartiment anodique.
Selon un autre mode de réali~ation, on a~sure le tranRfert s~lectif d'oxygène d'un premier milieu ga~eux à une pression partielle d'oxyg~ne dite élevée dans un second milieu ~ pression partielle d'oxygène plus faible, en maintenant une diff~rence de pression partielle entre les milieux considéré3 ~épar~s par une cellule électrochimique, telle que définie ci-desRus. Cette différence de presYion partielle fournit une tension électrique E
aux bornes des électrodes.
Cette tension peut être utilis~e comme g~nérateur élec-19 ~.Z7~8~
trique : pila de concentration fonctionnant entre deux pre3sion~
partielles d'oxygène imposées Pl et P2, ou pile ~ cambustible dans le cas ob l'oxygbne produit à l'électrude E2 est consommé
par une réaction chimique irréver3ible~
La tension qui apparait entre cathode et anode lorsqu'il existe une différence de pre~ion partielle d'oxygène entre les deux milieux gazeux peut être utilisée pour faire une jauge à
oxygène fonctionnant à température ambiante. Dans ce cas, la pres-sion partielle d'oxygène de l'un des milieux sert de référence.
lo La Loi de ~ernst donne la Yaleur de la tension mesurée (sans dé-bit de courant) E = R T log P
F ~ P ~
le nombre d'~lectrons impliqu~s dans la chaine électrochimique étant ici de 1, R ~tant la constante des gaz parfaits, F la valeur du faraday et T la température absolue. Il faut remarquer que la tension E délivrée par ce type de jauge est 4 fois plu3 élevée que celle fournie par les jauges utili3ant un électrolyte conduc-~0 teur par ions OH ou o2 .
Dans un mode particulier d'utilisstion, lorsqu'il existe une différence de pression partielle d'oxygène entre deux milieux gazeux séparés par la cellule électrochimique décrite ci-dessus, on relie les deux électrode~ par un circuit extérieur passif com-portant un conducteur de faible résistance électrique et un inter-rupteur. Un tel di3positif permet de contrôler (a sa~oir de régu-ler ou d'interrompre)le flux d'oxygène qui pas9e du milieu 1 com-portant la plu8 forte pression partielle d'oxyg~ne vers le milieu 2. Lorsque l'interrupteur est en position ferm~e, la csllule est court-circuitée et l'oxygène est transfér~ du milieu 1 au milieu 2 en migrant 80U9 forme de superoxyde, les électrons mi3 en jeu aux électrodes circulant dan~ le conducteur extérieur~ Lorsque l'interrupteur e~t en position ouvertP, une tension apparaIt aux électrodeQ, mai3 les électron~ ne pouvant circuler dans le cir-cuit extérieur, le flux d'oxygène entre le miliel~ 1 et 2 est interrompu (il est en fait limit~ au flux de perméation de l'oxy-gène moléculaire neutre ~ travers la membrane d'~lectrolyte).
- 20 ~7~
Le contr81e "tout ou rien" ainsi réalisé peut être affiné
par l'introdurtion d'une r~sistance variable en abrie dans le circuit extérieur : la mesure du courant permet de contrBler de façon tr~s préciqe le flux d'oxygbne que l'on transfbre du milieu 1 au milieu 2.
Il est clair que ce achéma très simple peut conduire à un véritable systbme asservi permettant par exemple de ~tabiliaer ou de programmer la pression partielle d'oxygène d'un des deux mi-lieux.
Selon encore un aùtre variante, si le milieu électrolyti-que autorise non seulement la diffusion de l'oxygène sous forme anionique mais aussi le transport d'électrons, le sy~tème peut alors fonctionner en membrane "semi-perm~able" ~lective pour l'oxygène. Le terme semi-perméable n'est pas pris ici dans l'scception classique de la perméation : la sélectivité de la membrane pour l'oxygène n'est pa~ due à une diFfu~ion préf~ren-tielle de l'oxygène moléculaire neutre dissous mai~ à la pré-sence et à la mobilité des anions oxygénés et des électrons.
Le principe général de fonctionnement est le suivant :
la conductivité électronique conduit à un court-circuit partiel de la membrsne. Ce court-circuit donne lieu, ous l'action d'une différence de pression partielle d'oxygène entre les deux faces de la membrane à der courant3 électroniques et ioniques qui s'annulent mutuellement mais dont le bilan est un transfert d'oxygène d'un cBté ~ l~autre de la membrane. Le flux de semi-perm~abilité augmente avec la temp~rature. La eonduction électro-nique au sein meme du matériau présente l'avantage, par rapport 8U cas où les ~lectrons reviennent par un circuit extérieur, de répartir uniformément le courant dans la membrane.
Plus précis~ment, s'il existe une différence de pression partielle d'oxyg~ne entre les deux faces de la membrane, l'oxyg~ne peut atre réduit sn anion oxygéné au contact de la membrane du cBté haute pression, puis migrer ~ trsvers la membrane par diffu sion avant d'~tre oxydé en oxyg~ne du cBté bas~e pression. Le3 ~lectrons lib~rés du cBté basse pre~sion peuvent alors migrer vers le d té haute pression par diffusion ~ travers le milieu électrolytique ~ conduction mixte (ionique et électronique).

La sélectivité du transfert d'oxygène assur~e par les dispo~itif~ de l'inventiun le5 rend particuli~rement appropriés pour des applications concernant la s~paration d'oxygène.
De telles applications comprennent la production d'oxygène ' 5 par concentration à partir de l'air, notamment d'air sec, de préférence de faible teneur en gaz acides tel~ que C02, 5~2 ou SH2, puur l'industrie ou dans le domaine médical, la purification de gaz contenant de l'oxygène, l'introduction de quantités con-trôlées d'oxygène dans un gaz, l'analyse de milieux gazeux.
lo D'autres caract~ristiques et avantages de l'invention sont rapportés dans les exemples qui suivent et en se réf~rant aux figures.
La figure lb représente le grossissement d'une partie de la cellule d'un dispositif selon l'invention représenté sur la figure la.
La figure 2b représente un pli de l'~lément modulaire de la figure 2a du type sandwich.
La figure 3 représente ce meme module en coupe.
EXEMPLE 1 : Préparation d'une composition de superoxyde à base de POE POP/TBA02 sous forme d'une membrane.
ûn procède à l'élaboration d'une solution 1 de polymère et d'une solution 2 de superoxyde de tétra-n-butyla~monium, en op~rant comme suit :
Solution 1 On dissout 4q de POE de ma~se mol~culaire 600 000 (Aldrich), 29 de POP (Hercules Co, sous le nom de Parel 58) et 19 de per-chlorate de tétra-n-hexylammonium (Alfa Ventron) dans une quantité
~uffisante de pyridine (Prolabo) pour faire lûO ml de solution.
On agite fortement cette solution pendant environ 15 heures.
Solution 2 ûn mélange 19 de fluorure de tétra-n-butylammonium (TBAF) trihy-draté (Fluka) avPc 2,59 de superoxyde de pota~sium (pureté
~6,5 X) (Alfa Ventron) dans une qUQntité suffisante de pyridine (Prolabo) pour faire 15 ml de solution. On lais3e la réaction de métathèse se faire sous agitation pendant 10 8 30 minutes.
On centrifuge, on récupère la partie liquide. On reprend ensuite le solide par 15 ml de pyridine. On centrifuge et on r~cupère 18 partie liquide. La solution obtenue en réunis~ant les deux 22 ~ 2'7~
fractions liquides, soit ~0 ml en tDUt, contient environ 0,69 de superoxyde de tétra-n-butylammonium.
On mélange la solution 2 avec 30 ml de la solution 1 en agitant pendant 10 à 30 minute On fait le vide au dessus de la solution (environ 20 mm Hg) pour ~vaporer environ ~0 ~ du solvant. On peut chauffer jusqu'à 35~C maximum pour accélérPr l'évaporation.
On obtient environ 30 ml de solution jaune, visqueuse, que l'on verse dans un godet de polytétrafluoroéthylbne à fond plat. On évapore le solvant dans un courant d'azote sec pendant une durée de 12 à 15 heures.
On retourne la membrane et on continue l'évaporation pendant au moin~ 3 heures.
On obtient ainsi un film 90U9 forme d'une membrane homogène jaune tr~s pale qui contient POE/POP/THAP/T8A02 selon les parties en poid~ suivantes : 4/2/1/2. La conductivit~ de cetts membrane 2û~C est de 4 x 10 7 Q 1 cm~l et à 50~C
de 5 x 1o~6 Q-l Cm-l Cette membrane se pr@te très bien au laminage entre deux rouleaux de polytetrafluoréthylène jusqu'à des épaisseurs de l'ordre de 20 microns.
EXEMPLE 2 : Variantes de préparation de la solution 2 (TBASj:
Ut;ili~ation do l'an~on flu~rur~ en tant qu'anion de départ~ Solvant : tolubne.
On ajoute 49 de T8AF trihydraté dans 3CO ~1 de tolubne et on distille azéotropiquement à la pression ordinaire environ troi~ quarts du toluène. On refroidit la solution et on ajoute K02. On agite le mélange pendant environ 8 h puis on filtre sous azote pour retirer les produits solides. On ajoute au filtrat un volume identique de cyclohexane sec. Un trouble apparait.
On refroidit à -20~C pour faire cristalliser le produit qui se forme. On redissout la quantité n~cessaire de T~AO~ dans la pyri-dine pour obtenir la solution 2.
On pourra préparer également des compositions de superoxydes de tétrabutylammonium (TBAS) en utilisant de~ anions de départ autres que le fluorure et moins hydratés que celui-ci, par exem~
ple un carbonate, un iodure ou un acétate, en suivsnt le mode opératoire ci-aprbs :
23 ~ 84 Utilisation du rarbunate ~n t~nt qu'anion d~ d~port On prépare d'abord du carbonate de tétrabutylammonium (TBAC) en faisant barboter du C02 gazeux dans une solution méthanolique d'hydroxyde de tétrabutylammonium puis en évaporant le méthanol.
S On sèche ensuite le TBAC cristallis~ blanc, puis on redi~sout le TBAC dans la pyridine (une partiP du produit reste en suspensionj et on ajoute à cette solution un excès de superoxyde de potaqsium pr~alablement broy~. Après avoir agité la solution pendant quel-ques minute~, on filtre la solution pour s~parer K02 et K2C03 et o on recueille une solution de TBAS dans la pyridine.
La réaction s'ecrit -pyridine (N Bu4)2 C03 ~ 2 K3~ -> 2 N Bu4 û2 + K2 C~3 Utilisation de l'iodure en tant qu'anion de dKp~rt Les anions ~2 et I- peuvent également 9 'échanger dans de~ cas bien particuliers où l'énergie de réseau des produits formés joue un grand rôle.
Si l'on ajoute de l'iodure de sodium ou de potassium en poudre à
une solution de TMAS danq la pyridine, ou mieux dans l'acétoni-trile, on observe la pr~cipitation immédiate d'iodure de tétramé-thylammonium (TMAI), l'énergie de r~seau du TMAI étant trbs importante. Par contre, dans le diméthylsulfoxyde, TMAI est beau-coup plus soluble et la séparation de TMAI du ~quperoxyde formé
est beaucoup plus difficile. Cette précipitation rapide de TMAI
dsns CH3CN ouvre encore une nouvelle voie de pr~paration du TaAS
et d'autr~ superoxydes d'ammonium quaternaire.
Il suffit en effet d'échanger ~2- et I- entre TMAS et l'iodure de tétrabutylammonium TBAI dans CH3CN. Le TMAI précipite et, après filtration, on recueille une solution de TBAS dan~ CH3CN~ La réac-tion est la suivante :

N Me4 ~2 + N ~u4 I > N Me4 I + N 9u4 ~2 Ces réactions avec les iodure~ ne peuvent s'appliquer en pr~3encede iodhydrate. Les ammoniums doivent bien @tre quaternaires (4 cha1nes autres que H Rur l'atome d'azote).
Utilisation de l'~c~tute co~m~ anion de d~part On peut préparer également des solution~ de superoxydes d'ammo-, 2~ 7~584 niums quaternaires a partir des ac~tates correspondants. Parex~mple, dQn8 le ca~ de N Bu4 ~2~ la méthode de préparation est la suivante:
ûn fabrique d'abord l'ac~tate de t~trabutylammonium en versant goutte à goutte de l'acide acétique glacial dans une Rolution méthanolique d'hydroxyde de tétrabutylammonium jusqu'à ce que le pH atteigne environ 4. On chasse le méthanol dans un évaporateur rotatif sans dépasser 50~C puis on verse sur le précipit~ un peu d'acétonitrile que l'on chasse à nouveau.
o On met ensuite l'acétate dans la pyridine et on aj~ute du K02 broy~. L'acétate est insoluble dans la pyridine, tout comme le K02, mais l'échange entre les anion~ ~2 et CH~CûO a lieu puis-que la solution se colore en jaune a~sez rapidement et contient du superoxyde de tétrabutylammonium.
La réaction, qui s'écrit :
pyridine N Bu4 CH~ COû ~ K02 ~ > N ~u4 ~2 + CH3 C~û K
n'est cependant pas quantitative.
Les m~thodes décrites ci-dessus sont relativement douce~ puisque les réactions se produisent ~ la température ambiante et n'impliquent donc pas de dégradation rapide des superoxydes en solution en cours de leur préparation. Toute~ois, on pourra extraire les superoxydes d'ammonium de la solution dans laquelle ils ont été préparés, de manière à les isoler des différents constituants (anions, ~olvants...) du milieu réactionel, ceux-ci pouvant provoquer une dégradation lente du superoxyde.
EXEMPLE 3 : Préparation d'une composition de superoxyde à ba4e de .
chlorure de poly(diallyldiméthylammonium) Les reactifq utilisbs sont :
. Le chlorure de poly(diallyldiméthylammonium) (abréviation PDADMAC) ~ 15 ~ en ~olution dan~ l'eau (réf 6515 de Polysciences, Wsrrington, Pennsylvanie, Etata-Uni~).
. Le tétraph~nylborate de sodium (rgf 72020 Fluka-CH) . Solution de superoxyde de tétrabutylammnnium dans la pyridine préparée par métathèse entre le fluorure de tétrabutylammo-nium pentahydraté et le superùxyde de pota~qium . Pyridine (Prolabo-France) ~ 2 ~ ~ S 8 ~
On pr~pare d'abord le tétraph~nylborate de poly(diallyldim~thy-lammonium) (abr~viation PDADMA-TPBj par ~change des ions C1 et BPh4 dans 1' esu suivant la réaction :
s ~ , Nal 3Ph4 ~ ~ Na+ Cl e Me Me _ Cl ~ n ~ BPh4 - n PDADMA-C PDADMA-TPB
Le PDADMA-TP~ pr~cipite quantitativement sous forme de poudre blanche. On le sèche par chauffage à 60~C sous Yide pen-dant 24 h. Le remplacPment des ions C1 par les ions BPh4 estr~alisé presque à 100 Y.
On dissout le PDADMA-TPB sec dans la pyridine (ou le DMSOj à 20DC puis on verse dans la solution obtenue une solution de superoxyde de tétrabutylammonium N(C4H9~402 L9 suDeroxyde ae poly(diallyldiméthylammoniumj(abréviation PDADMA S) précipite sous forme de poudre blan~hâtre. On le sèche sous vide b 20~C.
Le pourcentage total d'anions Cl ou BPh4 substituespar ~2 est mesuré en dosant les ions ~2 par volumétrie. On mesure le volume d'oxygène dégag~ lorsqu'on fait réagir le produit soli-de et sec obtenu avec une solution aqueuse de chlorure ferriqueFeC13 (lM) et d'acide chlorhydrique (lM).
la r~action globale est la suivante :
2 ~2 + 2 H ~ H20 ~ 3/2 ~2 Les me~ure~ effectuée~ montrent que dan~ le PDADMA-S
obtenu par deux méthathe~e~ successive~, environ 60 Z des anions présents dans le oolymèr~ sont des anion~ C~ , les anions res-tants étant des BPh4 ~puisque le premier échange d'ions e~t qua-~i total). Ceci correspond à environ 2,5 milliéquivalents de ~2 par gramme de polymère bien que la ma~se molaire des anions BPh4 3s soit très élevée.
Le PDADMA-S, con3ervé sous vide ~ 20~C, reste intact pen-dant plusieurs semaines et son aspect physique n'est pas modi fi~
, 26 ~ Z~6~4 jusqu'~ 170~C (test au banc de Kofler). Cette stabilit~ thermique est nettement supérieure ~ celle du superoxyde de tétraméthylam monium (TMASj qui fond à 97~C et se décompose vers 100~C.
Le polyammonium quaternaire ain~i préparé, dont 60 ~ environ des anions sont des anions ~2 (les autres anions sont Cl et BPh4 ), présente une excellent0 stabilité thermique et a une très longue durée de vie.
Pour rendre les ions ~2- mobiles dans le polymère, on plastifie PDADMA-S par des polymères de faible masse (entre ~00 et 12QO environj qui solvatent les ions ~2- de façon à s~parer ceux-ci de leurs contre-ions appartenant au squelette. Ces plasti-fiants peuvent être choisis, par exemple, parmi les polymères capables de solvater les ions ~2 par liaison hydrogène, par exemple la polyéthylèneimine, préparée par hydrolyse alcaline de la polyoxazoline selon la méthode décrite par T. SAEGUSA et al, J. Am. Chem. Soc. (1985), lû7, p 3823-3828.
Le PDADMA S peut également être rendu amorphe par d'autres .
moyens tels que :
. Le remplacement des groupes méthyle par des groupes ayant plusieurs ~~ maillons -CH2-, par exemple butyle ou hexyle.
. La copolymérisation du chlorure de diallyldiméthylammonium avec un vinyl-ether ou un autre monomère vinylique compatible avec les ions û2 (exemple : méthyl-vinyl-ether perfluor~j.
EXEMPLE 4 : Film à base de POP/TBAO
2s On procède comme dans l'exemple 1, en soumettant une so-lution de POP (3 parties en poids) et une solution de TBA02 (1 partie en poids) ~ une opération de coévaporation.
Ls membrane obtenue se présente SOU3 forme d'une pate collante dont on améliore la tenue m~canique à l'aide d'une trame non tissée de polypropyl~ne introduite avant évaporation.
EXEMPLE 5 : Transfert d'oxygène ~ travers une membrane ensemencée en anions ~2-' par application d'une tension électri-que aux borne~ d'une cellule ~lectrochimique montée avec cette membrane Le~ essais ont été effectués avec le montage représenté
sur la figure la. La figure lb~représente un gros~issement en coupe d'une oartie de la cellule électrochimique.
27 ~ ;~76~
La membrane (lj dont la préparation et la composition sont décrite~ dans l'exemple 1, a un diambtr~ de 60 mm et une épaisseur voisine de 150 microns. Elle est pressée entre deux nappes non tiss~es de carbone (2aj et (3a) (International Paperj qui jouent le rôle d'~lectrodes poreuses. Le sandwich nappe de carbone-membrane-nappe de carbone est lui-même pressé entre les disques en acier inoxydable fritté (17) et (18j.
La chambre (19j qui comporte des conduit~ d'arrivée et de sortie des gaz (20) et (21) a un volume d'environ 50 cm3 et joue le rôle de compartirnent cathodique.
La chambre (22j est reliée par le conduit de sortie de ga~ (23) à un capteur de pression et son volume total, c'est-à-dire incluant les tubulures, connections et le volume mort du capteur est de 3 cm3. Elle joue le rôle de compartiment anodique.
L'ensemble de la cellule est thermostaté à 4~.0 + 0.1~C
par circulation d'eau dan~ les blocs de laiton (24) et (25j.
Avant la mise en route du dispositiF, la chambre (19) est remplie d'oxygène sous 1 bar et la chambre (24) est remplie d'oxygène sous 1005 mbar. Les deux compartiments sont rigoureuse-2C ment étanches.
Après stabilisation de la température et de la pression on applique une différence de potentiel électrique de -0.8 V
entre cathode et anode. L'intensité de courant est de 300 ~ A
au début de l'expérience et se stabilise rapidement vers 60 ~A
Après passage d'une quantit~ d'électricité de ~
1.67 x lû-l C mesurée, en 30 minutes, par un coulom~tre, on cons-tate que la pression dans la chambre (22j est pas~ée de 1005 ~
1017 mbar, ce qui correspond à la production de 1.37 x 10 6 mole d'oxyg~ne pour 1.73 x 10 6 Faraday ayant travers~ la cellule. Le rapport faradique, voisin de 1, indique que le transfert d'oxyg~-ne a donc été réalis~ par l'interm~diaire d'anions superoxyde ~2 EXEMPLE 6 : Module de type accordéon utilisé comme dispositif électrochimique pour séparer l'oxygène de l'air.
Les figures 2a et 2b concernent une variante d'un dispo-sitif modulaire de type accord~on et représentent respectivement une vue en arraché d'un module et le d~tail d'un repli en coupe.
Le module est composé d'un ensemble membrane ~lectrolyti-._ - 28 ~ %7~
que-électrodes (1,2,3) replié en accordéon à l'intérieur d'un boitier parallélipédique étanche comportant quatre fac~s isolantes (4,5,6,7) et deux face~ conductrices (8,9) servant à la foiR
d'amenées d~ courant et de gaz. La membrane (lj du type de celle décrite dan~ l'exemple l est preRRée en sandwich entre deux napp~R de ~atbriau d'électrode poreux (2) et (3j par exemple du tissu de graphite. Le film composite ainsi formé est plié en accordéon. Il est utile d'intercaler, entre les plis, de~ couches (14j d'un matériau conducteur ~lectrique très facilement perméa-ble aux gaz, par exemple, une grille métallique ondulée, dont lerdle est, d'une part, de maintenir entre les replis du Film un espace permettant une circulation ais~e des gaz et d'en optimiser le trajet, d'autre part, de fournir des contacts électriques bien répartis à la surface des électrodes.
Les deux extrémit~s de l'empilement ainsi réalisé perpen-diculairement aux plis (lO et llj sont rendues étanches aux gaz, par exemple, en les noyant dans une résine isolante électrique du type époxy ou silicone. Elles sont appliquées de façon étanche contre les deux faces (4) et (5j du bo~tier.
Par ailleurs, chacune des extrémités du composite membra-ne-~lectrodes parallèles aux plis (l et 13) est raccordée de fa-çon étanche et sur toute leur longueur ~ l'une des plaques iso-lantes (6 et 7) du boîtier.
La figure 2b permet d'observer comment chacune des nappes d'électrodeq (2) et (3) entourant le film électrolytique (lj est en contact électrique au niveau des plis avec l'une des deux face~ conductrices (8) et (9).
La figure 3 représente une coupe du module dans le plan perpendiculaire aux pli~ situé au niveau des conduits de gaz (15) et (16).
Elle montre aussi comment le système boitier/film compo-site en accordéon délimite deux r~gions A ~t B isolées l'une de l'autre vis-à-vis des gaz et électriquement.
Des canaux sont aménagés dan3 les faces (a) et (9), de façon à faire communiquer chacun des compartiment~ A et B avec le~ embouts (15), (15') et (16), (16') respectivement, embouts 2g ~Z7~
raccordables ~ des circuits gazeux extérieurs.
Le module ainsi construit sst utilisé pour produire de l'oxygène pris a partir de l'air. Le mode de fonctionnement est le suivant : de l'air faiblement comprimé pour vaincre les pertes de charge ( ~ 1,1 Bar absoluj circule dan~ le compartiment A, l'entrée se faisant par l'embout (15), la sortie par l'embout (15'). Les plaques (8) et (9j sont connectées respectivement aux bornes - et + d'un générateur de courant continu pouvant délivrer une tension d'environ 1 V entre ces plaques. La plaque (8j dis-o tribue le courant sur l'électrode (2j le long des plis qui lui sont adjacents et gr~ce aux couches intercalaires conductrices (14) internes au compartiment A.
De m@me la plaque (9j distribue le courant sur l'électrode (3) le long des plis qui lui sont adjacents et grâcs aux couches lS intercalaires conductrices (4) internes au compartiment B.
L'oxygène de l'air circulant dans le compartimPnt A est réduit en anions superoxyde au niveau de la nappe d'électrodes (2) (cathode). L'azote, qui ne subit aucune r~action électrochi-mique est purgé de façon continue par la sortie 15' où l'on obtient un air appauvri en oxygène.
Les anions superoxyde qui ont migré au travers de la membrane (lj sont oxydés au niveau de l'anode (3) en produisant de l'oxygène qui se dégage sous forme gazeuse dsns le compartiment B et peut atre recueilli à l'une des sorties (16) ou (16').
De tels rodule~ peuvent atre aisément assemblés en s~rie ou en parall~le selon lee caractéristiques du générateur de cou-rant dont on di3pose.
EXEMPLE 7 : Application du dispositif de l'exemple 3 comme jauge -~ oxygène.
On utilise un dispositif du type de celui selon l'exemple 3 renfermant comme électrolyte POE/POP/THAP/TBA02 ~ raison de 4/2/1/3 parties en poids.
On opère à 20~C sur des disques de membranes de 3 cm2 de surface et de 150 micron3 environ d'épaisseur. La membrane ainsi réalis~e e~t légèremçnt pre~sée entre deux disques de tissu de carbone conducteur du type de celui comm~ cialisé ~ar la Société le Carbone Lorraine sous la ~ ~c~/ TCS 80 (ou encore 3~ ~276;S1~4~
TCM 128) ou celui commercialisé par la Société International Paper. Les disques de carbone sont eux-mêmes tenus en place par deux grilles d'acier inoxydable recouvert d'or par pulvérisation cathodique, minces, qui sont reliés au circuit de mesure (volt-mètre numérique).
Ce dispositif est sensible à toute diff~rence de potentiel chimi-que, (dans le cas pr~sent de pression partielle d'oxyg~nej, entre les milieux amont et aval s~parés par la membrane, et fournit une différence de potentiel aux bornes des électrodes. On a cons-lo taté l'apparition d'une différence de potentiel de 39 plus oumoins 1 mV lorsque le milieu amont est constitué par de l'oxygène pur sous une pression de 1 bar, tandis que le milieu aval est constitué d'un mélange d'azote t78,91 ~) et d'oxygène (21,09 ~) sous 1 bar de pression totale. La valeur de cette différence de potentiel est très proche de la valeur théorique de 39,3 mV cal-culée d'après le Loi de Nernst pour un tansfert monoélectronique.
Il en résulte que l'on observe bien une réduction d'oxygène en ~2 du cBté haute pression et une oxydation d'û2 en ~2 du côté
basse pression de la membrane. On obtient 90 ~O de la réponse en moins de 10 secondes lorsque l'on passe de l'air à l'oxygène pur.
L'expérience est couramment réalisée en maintenant l'un des côtés de la membrane sous balayage d'oxygène pur tandis que l'autre côté est alternativement soumis à un balayage d'oxygène pur et d'un autre gaz dont on veut mesurer la teneur en oxygène.
~ ~7~r,~~~ 0~/~ c'-7rn~7e,~c~
7 ~ 2 ~
f NHR 1 ~ 1 2 _ -P = ~; P = N-_NHR 'n ~ NR3R4R5 n dan ~ which R, R ', Rl, R2, R3, R4 and R5 are as defined above for R and R '.
A third group includes the polyamides ~ baYe pattern type: 7 RCN-o in which R and R 'are as defined above.
In a fourth group, the polym re used for the ela-boration of the matrix is a polyalkyleneimine, more special-ment a poly ~ thylèneimine substituted comprising units of the type ~ -N-CH2-CH2 ~ n with R as defined above.
The polymers of these different types are substituted, if applicable, it being understood that the substitutions retain the aprotic and inert character, vis-à-vis ~ 2 ~ of the matrix.
Advantageous substituted polym ~ res ComprQnnent chai-nes perfluoroalcoylQ.
According to another provision of the inventian, these polym ~ rescomport sites gr ~ ffés loaded or not, allowing the sol-transient vation of ~ 2-- The grafted ites playing the role of relay sites are mobile ~ and located in ~ out of lat ~ rs chsines, more than a few links of the carbon skeleton of the polymer baYe. The grafted site can ~ be constituted by a mctif of the po-lymares considered above ~ sus.
Preferably, these are grafts made up of ~
pyridyl groups.

Other grafts are of the sulfon ~ mide ~ - S - N - R 'type, with R and d R 'as defined above.
Yet another group of polymers includes one or more sieurs ré ~ Qine ~ contains exchangeable anions ~ by ~ 2 -Resins ~ preferred are constituted by resins quaternary ammonium comprising units such as:
8 3L2 ~ 5 ~ 4 - N- (CH2) n -, R ' and RR 'R R' in which R and R 'are as defined above ~ us.
The anions of the resin may be chosen in particular.
among the anionQ fluoride ~ chloride, hydroxide, iodide, tetraphe-nylborate, carbonate or acetate, previously exchanged, all or in part, by anions ~ 2-~
The resin used in the polymer material may be an homo or an ionic copolymer, produced from a monomer vinyl or allyl quaternary ammonium, alone or in copolymer-re ~ with other allyl quaternary ammonium monomers or different vinyl.
Advantageously, the use, for the preparation superoxide compositions according to the invention, a tet salt trapnenylborate and a poly (diallyldimethylammonium) salt per-puts to obtain superoxide compositions according to the invention tion having a ~ lev ~ e ion concentration ~ ~ 2 and having both a long service life and good thermal stability.
According to an advantageous arrangement of the invention, the ma-polymeric material further comprises alJ minus a capa additive ble, in particular to increase its dielectric constant and / or its amorphous character or ~ if necessary, make it less ~ by partially amorphous when it acts as a polymer of shouting tall or partially crystalline, and / or further promote the compatibility of the constituents of the composition.
Compounds ~ suitable for this purpose include polym ~ -re-Q, plu9 sp ~ cially the type of those defined above, from ~
agentQ plasticizer- ~ or 8el3, preferably ~ low reticular energy As plasticizers, mention will be made of ~ polar plasticizers -~ Z ~ 65; 1 ~ 4 g such as the ~ cyan compounds ~ s. The work carried out shows q'un compound which carries groups cyanées of the type 2,4,6-trimétho-xyben ~ onitrile is particularly suitable.
Alternatively, the dielectric constant is increased by using polym ~ r2s materials comprising groups-polar elements ~ carried by lateral chalnes ~ orientableQ.
Groups of this type include perfluoromethyl groups.
When the polymer material comprises several polymbers or copolymers, an observes that some 3uperoxide ~ allow to increase the compatibility of polymers. This Favorable effect is observed for example with tetrabutylammonium superoxide quaternary.
Appropriate ionic additives, in particular to increase ~ and / or compatibility ~ of the polymer (s) and / or copolymer ~ res Tire them and / or, if necessary, with the 8el of ~ uperoxide9 take NRI4 type A salts in which:
~ A- is an anion such as C104, B (C6H5) 4, Cn, F2n, + l 503 and -R represents a saturated hydrocarbon chain, capable of contain one or more heteroatoms, preferably 0 and N and n ' is an integer from about 1 to 10.
As neutral additives, mention will be made of compos ~ 9 comprising in particular a pyridine nucleus such as 2,2'-bipyridine.
Dan ~ the case where ~ the mechanical strength of the polymer must be reinforced, the polymer material defined below ~ us is present under for ~ e crosslinked or 90U8 tram ~ e form comprising, in particular, a frame formed from another polymer or copo-inert lymer with respect to ions ~ 2.
According to another preferred embodiment, the matrix containing the ions ~ 2- e3t the association of a liquid, possibly-lement g ~ lified, and a support con ~ constituted by a Qolide material authorizing the percolation of ions ~ 2 ~ that is to say the migration continues from ~ ion3 ~ 2 from one r ~ ion to another of the material.
Solid materials pr ~ féré have good performance mechanical and include ~ supports7 preferably thin, psr example based on glass or ceramic, such as fibers agglomerated glass ~ r ~ es, sintered glass or porous glass, or ~ ba ~ e 10 127 ~ 4 wettable, porous or swellable polymer impregnation, this polymber being inert with respect to the constituents killing the solution.
The liquid removed may be a molten superoxide salt.
S or in concentrated solution in a compatible solvent.
These supported materials have, in particular, the advantage good mechanical strength, high concentration of carriers ~ ions û2-) in the support and great mobility of these por-teurs. The problem of solvent evaporation is avoided when where the solvent is at low vapor pressure or gelled.
As indicated above, the matrix forms with the super-xyde a stable material at the temperatures considered ~ es.
Note that the term "superoxide" used alone in the description and the claims denotes the salt O + û2 formed with Cations C ~ mineral or organic ~.
According to a preferred embodiment of the invention, Cations C ~ represent ~ nt mineral cations.
Suitable mineral superoxides include the super-roxides of monovalent metals, more especially alkali metals lins, such as Naû2, K02, RbO2 and Csû2. Other superoxides take transition metal superoxides as complex.
According to another embodiment, particularly preferred due to 3 high compatibility properties of ~ uperoxides with the ~ polymer materials of the matrix, the ca-C + tions represent one or more organic cations. From ~
super oxides of organic cations specially ~ preferred for the implementation of the invention include ~ superoxides of ammonia nium q ~ otsrnaire used alone or in mixture.
Among the products of this type, there will be mentioned superoxides of quaternary tetraalkylammonium NR4 + û2 dan ~ which R re-has an alkyl radical of pr ~ ference of lb lO atom ~ of carbon approximately.
Dea superoxide ~ of this type include superoxide quaternary tetramiethylammonium TMA + 02, the - ~ tetrabu- uperoxide quaternary tylammoniun TBA + 02 and tetrahexylam superoxide quaternary monium THA + 02 -11,127 ~ i584 Ruperoxide TMA ~ 02 is particularly advantageous due to its great stability (it melts around 97 ~ C and decomposes se at a slightly higher temperature and its solubility raised in several organic solvents (about 0.05M danq acetonitrile).
In a variant, the alkyl groups of the cations t ~ -traalcoylammonium superoxides used are replaced by ether groups, for example, of structure - -- ~ (CH2j2 ~~~ n CH3 in which n is an integer, preferably ~ rence from 1 to 5 approximately.
According to another variant, the superoxides used for the seeding is solvated by the solvent or solvents used vre for their preparation, most generally pyridine.
This solvation advantageously leads to a fa-vorable on the stability of the system.
The compositions of the invention are prepared by incorporating anion poration ~ ~ 2 in a matrix as defined above sus. This incorporation operation corresponds to a sowing-ment of the ion matrix ~ ~ 2.
According to an alternative embodiment, the incorporation is carried out chemical ration in the presence of a solvent in which the matrix and the superoxide are soluble or can be made solublea ~ using additives.
The solvent mi- ~ used is an aprotic solvent such than pyridine, benzene or toluene.
When the superoxide ael is a mineral salt, for facilitsr ~ olubili-Qation of salt and / or increase the size of cations in order to decrease the potential well that it constitutes for anions, we use according to classical techniques a alkaline cation complexing agent such as a crown ether or a cryptand.
According to another alternative embodiment, the seeding in o ~ e ~ t performed electrochemically by cathode reduction dic of molecular oxygen according to the method described in the brief vet US 3,102,140 on behalf of Callery Chemical Cy.
In a preferred way, the incorporation of aniona 2-in the electrochemical m.trice is r ~ performed by replacing 12 ~ 2 ~ 5 ~
anionR electroactive préexiYtant in the matrix, lesditq anion ~
being ~ limin ~ s psr anodic oxidation as the creation of ions 0 ~ ~ a cathode subjected to a flow of oxygen gaseous or dissolved.
S To prepare derivatives of superoxides sou ~ form of membrane, we proceed ~ the evaporation of ~ solvents or a diaper consisting on the one hand of a solution of the constituent material the matrix and on the other hand a ~ olution of ~ el of superoxide, these solutions being degassed.
lo Evaporation is carried out, preferably ~ under current dry gas such as nitrogen and temperature controlled ~ e. We use a flat support in an inert mat vis-à-vis the reagents using, for example, polytetrafluoroethylene (PTFEj. After evaporation of the solvent3 or membrane3 formed ~ are dried.
According to a ~ advantageous position of the invention, which increases the conductivity, the membrane is subjected at least one annealing operation, preferably a temperature slightly lower than the melting temperature of the material the matrix in ~ emencée, insofar as the superoxide is not no degradation ~ at this temperature.
To improve the mechanical strength of the polymer material, the base polymer is screened using another polymer or copolymer according to conventional techniques.
One can also crosslink the material before, or, the if necessary, after ~ incorporation of ~ uperoxide, in particular by irradiation or UV photocrosslinking.
The ~ quaternary tetraalkylammonium superoxide NR4 + 02-can be prepared mani ~ re clas ~ iqua by electrolysis of a tetraalkylammonium halide NR4 + X ~ in which R is such as defined above and X represents a halide ion ~ nure and r ~ duke-oxygen or, according to another variant, by a reaction solid-solid followed by extraction, as described in Inorg.
Chem. 1964, 3, 1 ?, 1798-9, and 1983, 22, 18, 2577 ~ 3.
The ~ ~ uperoxydeq NR4l02 peuv8nt ~ be pr ~ prepared by a metathesis reaction between:
a - a quaternary ammonium salt whose inert anion vis- ~ vis of ~ 2 e9t chosen pr ~ f ~ rence from the ~ anions F, I, OH, N03, 13 ~ Z'7 ~ Sl ~
C104- ~ ~ Ph4, CH3COO, C03-- and b - an excess of superoxide whose cation is a metal cation alkaline, preferably K + or a quaternary ammnnium cation, preferably TMA + ~
This metathesis can, indeed, be carried out as a reaction solid-solid, according to the above US patent, followed by an extrac-tion of NR4 + ~ 2 dan ~ NH3 liquid.
In accordance with an original availability of the invention, the metathesis reaction is carried out in an organic solvent such as benzene, toluene, ca ~ appropriate, dimethylsulfo-DMSO xyde, and preferably in pyridine.
The electrochemical study of compositions based on super-oxide above allowed to highlight their ~ properties of high anion conduction and this, advantageously, in a temperature range from ambient to approx. 100 ~ C
Ron.
This ~ compositions allow more especially the diffusion of oxygen in the form ~ 2- while constituting a barrier impermeable to other non-ionizable gases ~ under the same conditions tions that ~ 2 The invention therefore relates to new electrolytic materials.
based on superoxide compositions as defined above.
Note that the con3titusnts of the electrolytic material have good ~ chemical stability vis-à-vis ~ 2 but also towards Yi ~ chemical ~ rePecies ~ possibly produced by the reactions of û2 with the impurities of the material, in par-particular ViS- ~ -Vi9 of peroxidized species (peroxides) hydrope-roxydes, peroxydates) resulting from the dismutation of ~ uperoxydes.30 The presence of any element favoring or cstalysing dismuta-tion of ~ uperoxydeq must therefore ~ be avoided.
The electrolytic material can furthermore be conduc-cationic insofar as the9 cstions are not too much bulky and where their diffusion does not limit the conductivity anionic.
According to another provision of the invention, this material electrolytic is made electronic conductor for example 1 ~ ~ Z'7 ~; $ -! 34 by incorporating electronic conductive particles such as as particles of carbon or magnetite Fe304 These materials rials have the advantage of being able to be used in dea devices involving a partial pressure difference of oxygen instead of a difference of electrical potential.
This electronic conductivity is however not haitable when using an electric generator in the cooked, or when looking for ~ g ~ generate an electrical voltage because it would lead to loss of energy or self-discharge.
By taking advantage of the film-forming properties of materials matrix electrolytes, the electrolytes of the invention are advantageously carefully prepared in the form of membranes, which allows install large areas.
Preferred membranes have thicknesses inf ~ -less than 500 ~, in particular around 10 to 500 ~ before-approximately 30 ~ 100 ~.
Particularly advantageous matrix materials for the development of homogeneous transparent membranes3 including nent a polymeric material, sn particular, an alkylene polyoxide lane as defined above.
High conductivity electrolytic membranes include a copolymer, especially a static copolymer tistique with OE (thylene oxide) and OP (pro-pylene).
The percentage of OP reasons and advantageously at least minus about 5%, preferably about 40 ~ in the copoly-mother whose molecular weight is higher especially around from 50ûO ~ 50û 000.
Other membranes ~ include a blend of polymers and one or more additives.
Ges proportions pond ~ rales preferred ~ of constitusnt ~
of the membrane, mixture of polym ~ re ~ / additiveq / superoxides, are about 6/1/2.
Advantageous membranes of this type are ba ~ s POE
and include another pclymere such as POP, pr ~ férenca according to a ratio of about 4/2.
As composition, mention may be made of POE / POP / additi ~ such that 15 ~; ~ 7 ~ S5 ~
THAP (tetrahPxylam ~ onium perchlorate) / superoxide salt such as TBAO ~ according to the weight proportions of about 3b5 / 2/1/2 or again, POE / POP / additive such as THAP / superoxide such as K02 / agent complexing agent such as crown ether 18-crown-6 according to the proportions S tions of about 3 to 5/2/1 / 0.4 / 0.4.
the invention also relates to devices or cells electrochemicals for selective oxygen transport clearance, like oxygen and current carriers, of ions ~ 2 moving within Jn electrolytic material as defined lo above.
Preferred cells are characterized in that they comprise the electrolytic material, advantageously in the form of membrane, confined between two coextensive electrodes facing against face with said film, this ~ ele ~ trodes being c ~ nstituées of a conductive material which is permeable to gases, porous, inert towards screw of the mat ~ electrolytic line at temperature below ~ 100 ~ C
and stainless at least as regards the anode.
The materials of the two electrodes are identical or different.
The electrolytic chain developed from electro-lytes of the invention corresponds to the following sequence: (medium 1) cathode / electrolyte / anode (medium 2).
Molecular oxygen from medium 1 is reduced at the cathode in the state of anion ~ 2 by a monoelectronic reaction ~ 2 + e ~~~~ ~ 2 quasi-reversible in the absence of protons in the middle.
The ion ~ 2 diffuses into the electrolyte and will discharge has 1 ~ anode according to a reaction also mnno ~ electronics, almost reversible ~ corresponding to the equation: ~ 2 ~ e ~ + û2.
Oxygen can combine with the metal or material of the anooe if the latter is oxidizable, or is released in gaseous form in the opposite case.
We will note with interest that the global reaction responds to the transfer of one oxygen molecule for each ~ lec-3 ~ tron switched on when four electrons were needed reR in the prior artO
In addition, it should be noted that it does not occur at any time for cutting the oxygen ~ ne-oxygen link, the superoxide ion being : ..
16 ~ 2 ~ 76 ~
a molecular ion.
The implementation of reversible processes, both cathode than at the anode, reduces the activation energy to bring to the system ~ oit SOU8 form ~ electric or soua form thermal (gain in operating energy cost), either by catalytic means ~ (investment gain).
In general, it is thus possible to decrease significantly overvoltage at the electrodes, to lower operating temperatures and simplify, danY the ~
electrochemical devices used, dzs technology trodes which will not have to carry out a particular electrocatalysis particularly delicate in the case of OH- ions.
The ~ electrode materials are specially chosen from leq materials able to ac ~ accelerate the redox reaction ~ 2 (adsorbed) ~ e -> ~ 2 and does not cause dissociative chemisorption of the oxygen molecule.
Suitable materials include personal materials.
carbon-gas-permeable, for example vitreous carbon or graphite, possibly mechanically supported by a conductive or non-conductive weft, for example a polypropylene fabric.
Carbon can be incorporated SOU3 in the form of particles and / or fibers dispersed dan a mat ~ riau polymare.
The carbon-based conductive material may also be ment formed of a possibly woven sheet, a felt or a carbon paper.
Other suitable materials include a slightly stainless metal or a form dispersed in a polymeric material or SOU8 form of tablecloth ~ possibly woven.
For the cathode, the metal can be formed from coated steel green of a dep ~ t for example of platinum or nickel.
According to an alternative embodiment, the electrodes ~ have made up of a combination of materials.
One type of combination includes a weft of a polymer, with high resistance properties, supporting a film very thin electronic conductive polymer itself ~ charged me ~
glassy carbon powder or an au ~ re product ensuring a good electronic transfer.
17 ~ ~
According to another type of cumbing, the electrodes ~ are formed of one or more materials giving them conduction properties both electronic and ionic vis- ~ -vi3 from ~ 2.
According to another variant, the electrochemical dispo3itif ~
includes, interpo ~ é between the electrode and the electrolyte, a film a mixed conductor, electronic and ionic, in which ~ 2 is soluble, which allows the reduction of ~ 2 in a large volume and not p8S only ~ the electrode surface-lo ~ electrolyte.
According to yet another variant, the electrodes are formed of an asymmetric system, the cathode side promoting gas flow to limit the polarization of the phase gas and re ~ embrace electrode reactions ~ reduction from ~ 2 to a single electron, and the c8t ~ anodic faYorisant the oxy-dation of ~ 2 and the departure of gaseous oxygen.
Satisfactory performance on an industrial scale are obtained using large area membrane devices nes and high compactness.
According to an advantageous method of implementation, ce3 available sitif ~ come in the form of small modules of a few tens to a few hundred m2 each ~
These include cylindrical modules where the membrane is wound in a spiral, of the type used in permeation carbonated classic. In these cylinder ~, the coiled layers ~ es Advantageously follow one another as follows: cathode / membrane / ano-of / membrane / cathode ... Cathodes on the one hand 9 anodes on the other hand are permeable ~ to ga ~ and d ~ not ~ ent each of a c ~ tee of the cylinder in the axial direction so ~ be connected to the current leads. The gas circulation is carried out according to the mode known as currentY believe ~ s inside the por3 electrode3 ses, oxygen being collected in the axis of the cylinder.
Another suitable type of module includes setting up forms membranes in the boxes with con ~ titution of "sand-cathode / membrane / snode wiches, accordion-folded dan ~ le bo ~ -tier constituted psr example by mat faces ~ insulating risu gas tight and conductive faces R distributing current and gas.
'18 ~. ~ 7 ~ 84 The modules are grouped in series, in parallel or in parallel series According to yet another aspect, the invention relates to a method selective oxygen transfer from a first medium to a second medium in which electrochemical reduction is implemented of oxygen ~ only leading to the transient formation of ions ~ 2- ~ the diffusion in ~ 2 form in ~ electrolytic material such as defined above, which also constitutes a practical barribre only completely impermeable to other gases, and oxidation lo in oxygen ~ 2 ions.
In a preferred mode of carrying out this process, imposes a potential difference, ~ using a generator electric outdoor, across the electrodes of a cell such as the as defined above, separating the ~ environments mentioned above.
The electrode El used as a cathode is adjacent to the first medium and that used as an anode E2 is adjacent in the second ~ middle.
Under these conditions, the oxygen in the medium l is consumed at the level of the El electrode: an electrochemical reaction of reduction transforms it into ~ 2 ions which migrate to the elect Trode E2 ob takes place an electrochemical reaction opposite to the previous one (oxidation of the anion in oxygen which is released in the middle 2).
The assessment of this process chain is a transfer of oxygen from medium l to medium 2, obtained at the cost of one consumption tion of electrical energy.
It will be noted that it is also possible by this process ~ to decompress oxygen ~ not dan ~ the anode compartment.
According to another mode of realization ~ ation, we have ~ sure the transfer s ~ oxygen read from a first medium ga ~ them at a pressure partial oxygen ~ not called high in a second medium ~ pressure partial lower oxygen, maintaining a difference partial pressure between the media considered3 ~ sparse ~ s an electrochemical cell, as defined above. This partial pressure difference provides an electrical voltage E
across the electrodes.
This voltage can be used as an electrical generator.
19 ~ .Z7 ~ 8 ~
cudgel: concentration pila operating between two pre3sion ~
partial oxygen imposed Pl and P2, or battery ~ chargeable in the case where the oxygen produced at the electrodes E2 is consumed by an irreverible chemical reaction ~
The voltage that appears between cathode and anode when it there is a difference in partial pre ~ ion of oxygen between two gaseous media can be used to make a gauge to oxygen operating at room temperature. In this case, the pres-Partial oxygen release from one of the media is used as a reference.
lo ~ ernst's law gives the value of the measured voltage (without current bit) E = RT log P
F ~ P ~
the number of electrons involved in the electrochemical chain being here of 1, R ~ being the constant of the ideal gases, F the value faraday and T the absolute temperature. It should be noted that the voltage E delivered by this type of gauge is 4 times higher than that provided by the gauges using a conductive electrolyte ~ 0 tor by OH or o2 ions.
In a particular mode of use, when it exists a difference in partial oxygen pressure between two media gaseous separated by the electrochemical cell described above, the two electrodes are connected ~ by a passive external circuit carrying a conductor of low electrical resistance and an inter-breaker. Such a device makes it possible to control (has its ~ oir of regu-ler or interrupt) the flow of oxygen which passes from medium 1 to bearing the plu8 high partial pressure of oxygen ~ towards the middle 2. When the switch is in the closed position, the cell is short-circuited and oxygen is transferred from medium 1 to medium 2 by migrating 80U9 as a superoxide, the mi3 electrons involved to the electrodes circulating in ~ the external conductor ~ When the switch is in the open position, a voltage appears at electrodeQ, mai3 the electrons ~ cannot circulate in the cir-cooked outside, the oxygen flow between the medium ~ 1 and 2 is interrupted (it is in fact limited to the permeation flux of the oxy-neutral molecular gene ~ through the electrolyte membrane).
- 20 ~ 7 ~
The "all or nothing" control thus carried out can be refined by the introduction of a variable resistance in shelter in the external circuit: current measurement allows control so very preciqe the flow of oxygen that is transferred from middle 1 in middle 2.
It is clear that this very simple route can lead to a real slave system allowing for example to tabiliate or to program the partial oxygen pressure of one of the two half places.
According to yet another variant, if the electrolytic medium that not only allows the diffusion of oxygen in the form anionic but also electron transport, the system can then operate as a "semi-perm ~ able" ~ lective membrane to oxygen. The term semi-permeable is not taken here in the classical concept of permeation: the selectivity of the membrane for oxygen is not pa ~ due to a diFfu ~ ion pref ~ ren-tial of dissolved neutral molecular oxygen may ~ at pre-sence and mobility of oxygenated anions and electrons.
The general operating principle is as follows:
electronic conductivity leads to a partial short circuit of the member. This short circuit gives rise, or the action of a partial pressure difference of oxygen between the two faces of the membrane with der current3 electronic and ionic which cancel each other out but whose balance sheet is a transfer of oxygen from one side of the membrane. The semi- flow perm ~ ability increases with temperature. Electro-conduction nique within the material itself has the advantage, compared 8U if the ~ electrons return by an external circuit, distribute the current evenly across the membrane.
More precisely, if there is a pressure difference partial oxygen ~ ne between the two faces of the membrane, oxygen ~ ne can be reduced sn anion oxygenated in contact with the membrane of the cBté high pressure, then migrate ~ trsvers the membrane by diffu Zion before ~ being oxidized to oxygen ~ ne of the low pressure side. The 3 ~ librons lib ~ res from the low pre ~ sion side can then migrate to the high pressure summer by diffusion ~ through the medium electrolytic ~ mixed conduction (ionic and electronic).

The selectivity of the oxygen transfer provided by the available ~ itif ~ from the inventiun le5 makes it particularly suitable for applications relating to oxygen separation.
Such applications include the production of oxygen '5 by concentration from air, in particular dry air, preferably low acid gas content such as C02, 5 ~ 2 or SH2, for industry or in the medical field, purification of oxygen-containing gases, the introduction of con-of oxygen in a gas, the analysis of gaseous media.
lo Other characteristics and advantages of the invention are reported in the following examples and with reference to it to the figures.
Figure lb represents the magnification of a part of the cell of a device according to the invention shown in figure la.
Figure 2b shows a fold of the modular element of FIG. 2a of the sandwich type.
Figure 3 shows the same module in section.
EXAMPLE 1 Preparation of a superoxide-based composition of POE POP / TBA02 in the form of a membrane.
ûn proceeds to the development of a solution 1 of polymer and of a solution 2 of tetra-n-butyla ~ monium superoxide, in operating as follows:
Solution 1 One dissolves 4q of POE of my molecular ~ 600,000 (Aldrich), 29 from POP (Hercules Co, under the name of Parel 58) and 19 from per-tetra-n-hexylammonium chlorate (Alfa Ventron) in an amount ~ Enough pyridine (Prolabo) to make 10 ml of solution.
This solution is strongly stirred for about 15 hours.
Solution 2 a mixture 19 of tetra-n-butylammonium fluoride (TBAF) trihy-draté (Fluka) with 2.59 pota superoxide ~ sium (purity ~ 6.5 X) (Alfa Ventron) in a sufficient quantity of pyridine (Prolabo) to make 15 ml of solution. We leave the reaction of metathesis be done with stirring for 10 8 30 minutes.
It is centrifuged, the liquid part is recovered. We then resume the solid with 15 ml of pyridine. We centrifuge and r ~ cupère 18 liquid part. The solution obtained by bringing together ~ the two 22 ~ 2'7 ~
liquid fractions, i.e. ~ 0 ml in tDUt, contains approximately 0.69 tetra-n-butylammonium superoxide.
Solution 2 is mixed with 30 ml of solution 1 with stirring for 10 to 30 minutes A vacuum is created above the solution (approximately 20 mm Hg) to ~ vaporize approximately ~ 0 ~ of the solvent. We can heat up to 35 ~ C maximum to accelerate the evaporation.
We obtain about 30 ml of yellow viscous solution, which we pour into a flat-bottomed polytetrafluoroethylene container. We evaporates the solvent in a stream of dry nitrogen for a period of time 12 to 3 p.m.
We invert the membrane and continue the evaporation during less ~ 3 hours.
A 90U9 film is thus obtained in the form of a homogeneous yellow membrane.
very pale which contains POE / POP / THAP / T8A02 according to the parts in following weights: 4/2/1/2. The conductivity of this membrane 2û ~ C is 4 x 10 7 Q 1 cm ~ l and at 50 ~ C
of 5 x 1o ~ 6 Ql Cm-l This membrane lends itself very well to rolling between two rollers polytetrafluoroethylene up to thicknesses of the order of 20 microns.
EXAMPLE 2: Variants of preparation of solution 2 (TBASj:
Ut; ili ~ ation do an ~ on flu ~ rur ~ as anion starting point ~ Solvent: tolubne.
49 of T8AF trihydrate in 3CO ~ 1 of tolubne are added and azeotropically distilled at about ordinary pressure three ~ quarters of toluene. The solution is cooled and added K02. The mixture is stirred for approximately 8 h and then filtered under nitrogen to remove solid products. We add to the filtrate an identical volume of dry cyclohexane. A disturbance appears.
Cool to -20 ~ C to crystallize the product which form. The necessary quantity of T ~ AO ~ is redissolved in the pyri-dine to get solution 2.
We can also prepare superoxide compositions tetrabutylammonium (TBAS) using ~ starting anions other than fluoride and less hydrated than this, for example ~
ple carbonate, iodide or acetate, following the mode operative below:
23 ~ 84 Use of rarbunate ~ nt ~ nt as anion de ~ de ~ port First, tetrabutylammonium carbonate (TBAC) is prepared by bubbling CO 2 gas in a methanolic solution tetrabutylammonium hydroxide and then evaporating the methanol.
S Then the TBAC crystallized ~ white is dried, then redi ~ sout le TBAC in pyridine (part of the product remains in suspensionj and add to this solution an excess of potassium superoxide previously crushed. After stirring the solution for ques minute ~, the solution is filtered to separate K02 and K2C03 and o a solution of TBAS is collected in pyridine.
The reaction is written -pyridine (N Bu4) 2 C03 ~ 2 K3 ~ -> 2 N Bu4 û2 + K2 C ~ 3 Use of iodide as anion of dKp ~ rt The anions ~ 2 and I- can also exchange 9 'in ~ cases specific goods where the network energy of the products formed plays a role a great role.
If powdered sodium or potassium iodide is added to a solution of TMAS danq pyridine, or better in acetoni-trile, we observe the immediate precipitation of tetram iodide-thylammonium (TMAI), the network energy of TMAI being very high important. On the other hand, in dimethylsulfoxide, TMAI is much more soluble blow and separation of TMAI from ~ quperoxide formed is much more difficult. This rapid precipitation of TMAI
dsns CH3CN still opens a new way of preparation for TaAS
and other ~ quaternary ammonium superoxides.
It suffices to exchange ~ 2- and I- between TMAS and the iodide of tetrabutylammonium TBAI in CH3CN. The TMAI precipitates and, after filtration, a solution of TBAS dan ~ CH3CN ~ is collected.
tion is as follows:

N Me4 ~ 2 + N ~ u4 I> N Me4 I + N 9u4 ~ 2 These reactions with iodide ~ can not be applied in pr ~ 3encede iodhydrate. The ammoniums must indeed be quaternary (4 chains other than H Rur the nitrogen atom).
Using the ~ c ~ tute co ~ m ~ anion from start It is also possible to prepare solutions of ammonium superoxides.
, 2 ~ 7 ~ 584 quaternary niums from the corresponding acts. Parex ~ mple, dQn8 le ca ~ de N Bu4 ~ 2 ~ the preparation method is the next one:
ûn first makes t ~ trabutylammonium acetate by pouring drip of glacial acetic acid in a Rolution methanolic tetrabutylammonium hydroxide until the pH reaches approximately 4. The methanol is removed in an evaporator rotary without exceeding 50 ~ C then poured over the precipitate ~ a little of acetonitrile which is chased again.
o Then put the acetate in pyridine and add ~ ute K02 groy ~. Acetate is insoluble in pyridine, just like K02, but the exchange between the anions ~ ~ 2 and CH ~ CûO takes place then-the solution turns yellow a ~ sez quickly and contains tetrabutylammonium superoxide.
The reaction, which is written:
pyridine N Bu4 CH ~ COû ~ K02 ~> N ~ u4 ~ 2 + CH3 C ~ û K
is not quantitative, however.
The methods described above are relatively gentle since reactions occur at room temperature and therefore do not involve rapid degradation of superoxides to solution during their preparation. Anyway, we can extract the ammonium superoxides from the solution in which they have been prepared so as to isolate them from the different constituents (anions, ~ olvants ...) of the reaction medium, these which can cause slow degradation of the superoxide.
EXAMPLE 3 Preparation of a superoxide composition containing .
poly (diallyldimethylammonium chloride) The reagents used are:
. Poly (diallyldimethylammonium) chloride (abbreviation PDADMAC) ~ 15 ~ en ~ olution dan ~ l'eau (réf 6515 de Polysciences, Wsrrington, Pennsylvania, United States ~).
. Sodium tetraph ~ nylborate (rgf 72020 Fluka-CH) . Tetrabutylammnnium superoxide solution in pyridine prepared by metathesis between tetrabutylammo- fluoride nium pentahydrate and potassium hydroxide ~ qium . Pyridine (Prolabo-France) ~ 2 ~ ~ S 8 ~
We first prepare the tetraph ~ poly nylborate (diallyldim ~ thy-lammonium) (abr ~ viation PDADMA-TPBj by ~ change of C1 ions and BPh4 in 1 esu according to the reaction:
s ~, Nal 3Ph4 ~ ~ Na + Cl e me me _ Cl ~ n ~ BPh4 - n PDADMA-C PDADMA-TPB
PDADMA-TP ~ quantitatively precipitates in the form of White powder. It is dried by heating at 60 ~ C under Yide pen-within 24 h. The replacement of C1 ions by BPh4 ions is almost 100 Y.
Dry PDADMA-TPB is dissolved in pyridine (or DMSOj at 20DC then poured into the solution obtained a solution of tetrabutylammonium superoxide N (C4H9 ~ 402 L9 suDeroxide ae poly (diallyldimethylammoniumj (abbreviation PDADMA S) precipitates in the form of white powder ~ hâtre. It is dried under vacuum at 20 ~ C.
The total percentage of Cl or BPh4 anions substituted by ~ 2 is measured by dosing the ions ~ 2 by volumetry. We measure the volume of oxygen released when reacting the solid product of and dry obtained with an aqueous solution of ferric chloride FeC13 (1M) and hydrochloric acid (1M).
the overall reaction is as follows:
2 ~ 2 + 2 H ~ H20 ~ 3/2 ~ 2 The me ~ ure ~ performed ~ show that dan ~ the PDADMA-S
obtained by two methathe ~ e ~ successive ~, about 60 Z of the anions present in the oolymer ~ are anions ~ C ~, the anions res-tants being BPh4 ~ since the first ion exchange is ~ t ~ i total). This corresponds to approximately 2.5 milliequivalents of ~ 2 per gram of polymer although the ma ~ molar BPh4 anions 3s is very high.
The PDADMA-S, stored under vacuum ~ 20 ~ C, remains intact during for several weeks and its physical appearance is not changed , 26 ~ Z ~ 6 ~ 4 up to ~ 170 ~ C (Kofler bench test). This thermal stability is significantly higher than that of tetramethylam superoxide monium (TMASj which melts at 97 ~ C and decomposes around 100 ~ C.
The quaternary polyammonium ain ~ i prepared, of which approximately 60 ~
anions are ~ 2 anions (the other anions are Cl and BPh4), has excellent thermal stability and has a very long lifetime.
To make the ~ 2- ions mobile in the polymer, we laminates PDADMA-S with low mass polymers (between ~ 00 and 12QO environj which solvate the ions ~ 2- so as to separate these from their counterions belonging to the skeleton. These plastic-fiants can be chosen, for example, from polymers capable of solvating the ions ~ 2 by hydrogen bonding, by example polyethyleneimine, prepared by alkaline hydrolysis of polyoxazoline according to the method described by T. SAEGUSA et al, J. Am. Chem. Soc. (1985), lû7, p 3823-3828.
PDADMA S can also be made amorphous by others.
means such as:
. Replacement of methyl groups by groups having several ~~ links -CH2-, for example butyl or hexyl.
. The copolymerization of diallyldimethylammonium chloride with a vinyl ether or another vinyl monomer compatible with û2 ions (example: methyl-vinyl-ether perfluor ~ j.
EXAMPLE 4 Film based on POP / TBAO
2s We proceed as in Example 1, by submitting a lution of POP (3 parts by weight) and a solution of TBA02 (1 part by weight) ~ a coevaporation operation.
The membrane obtained is SOU3 in the form of a paste sticky which improves the mechanical hold with a weft non-woven polypropyl ~ not introduced before evaporation.
EXAMPLE 5: Oxygen transfer ~ through a seeded membrane in anions ~ 2- 'by application of an electric voltage only at the terminals ~ of a mounted electrochemical cell ~
with this membrane The ~ tests were carried out with the assembly shown in figure la. Figure lb ~ represents a large ~ issement in section of a part of the electrochemical cell.
27 ~; ~ 76 ~
The membrane (lj whose preparation and composition are described ~ in Example 1, has a diambtr ~ of 60 mm and a thickness close to 150 microns. She is pressed between two carbon nonwoven webs (2aj and (3a) (International Paperj which act as porous electrodes. The tablecloth sandwich carbon-membrane-carbon sheet is itself pressed between the sintered stainless steel discs (17) and (18d.
The room (19d which has inlet and outlet ducts ~
gases (20) and (21) has a volume of approximately 50 cm3 and plays the role cathodic compartments.
The chamber (22d is connected by the outlet duct of ga ~ (23) to a pressure sensor and its total volume, i.e.
say including tubing, connections and dead volume of sensor is 3 cm3. It plays the role of an anode compartment.
The entire cell is thermostatically controlled at 4 ~ .0 + 0.1 ~ C
by circulation of water in the brass blocks (24) and (25d.
Before starting the device, the chamber (19) is filled with oxygen at 1 bar and the chamber (24) is filled oxygen at 1005 mbar. The two compartments are rigorous-2C waterproof.
After stabilization of temperature and pressure an electrical potential difference of -0.8 V is applied between cathode and anode. Current intensity is 300 ~ A
at the start of the experiment and quickly stabilizes around 60 ~ A
After passage of a quantity of electricity of ~
1.67 x lû-l C measured, in 30 minutes, by a coulom ~ tre, we cons-that the pressure in the chamber (22d is not ~ 1005 ~
1017 mbar, which corresponds to the production of 1.37 x 10 6 mole of oxygen ~ ne for 1.73 x 10 6 Faraday having passed through ~ the cell. The Faradic ratio, close to 1, indicates that the oxygen transfer ~ -was therefore not carried out ~ by the intermediary of superoxide anions ~ 2 EXAMPLE 6: Accordion-type module used as a device electrochemical to separate oxygen from the air.
FIGS. 2a and 2b relate to a variant of an arrangement modular tuning type ~ on and represent respectively a cutaway view of a module and the d ~ tail of a folded section.
The module is composed of a membrane assembly ~ lectrolyti-._ - 28 ~% 7 ~
que-electrodes (1,2,3) folded in accordion inside a waterproof rectangular box with four insulating fac ~ s (4,5,6,7) and two ~ conductive sides (8,9) used for faith of current and gas. The membrane (lj of the type from that described in ~ example l is sandwiched between two layers ~ R of ~ porous electrode atrial (2) and (3d for example graphite cloth. The composite film thus formed is folded in accordion. It is useful to insert, between the folds, ~ layers (14d of a conductive material ~ very easily permeable electric ble au gaz, for example, a corrugated metal grid, the lerdle of which, on the one hand, maintains between the folds of the Film a space allowing easy circulation of gases and optimizing them the ride, on the other hand, to provide good electrical contacts distributed on the surface of the electrodes.
The two extremities of the stack thus produced perpen-particularly to the folds (10 and 11j are made gas tight, for example, by drowning them in an electrically insulating resin epoxy or silicone type. They are applied tightly against the two faces (4) and (5d of the bo ~ tier.
In addition, each of the ends of the membrane composite ne- ~ electrodes parallel to the folds (l and 13) is connected fa-waterproof and over their entire length ~ one of the iso- plates lantes (6 and 7) of the housing.
Figure 2b shows how each of the layers electrode (2) and (3) surrounding the electrolytic film (lj is in electrical contact at the folds with one of the two face ~ conductive (8) and (9).
Figure 3 shows a section of the module in the plane perpendicular to the folds ~ located at the gas pipes (15) and (16).
It also shows how the package / film system accordion site delimits two regions A ~ t B isolated one of the other vis-à-vis gases and electrically.
Channels are arranged in the faces (a) and (9), of so that each of the compartments ~ A and B communicate with the ~ end caps (15), (15 ') and (16), (16') respectively, end caps 2g ~ Z7 ~
connectable ~ to external gas circuits.
The module thus constructed is used to produce oxygen taken from the air. The operating mode is the following: weakly compressed air to overcome losses load (~ 1.1 Bar absoluj circulates in ~ compartment A, the entry being made by the end piece (15), the exit by the end piece (15 '). The plates (8) and (9j are respectively connected to the - and + terminals of a direct current generator capable of delivering a voltage of around 1 V between these plates. The plate (8d dis-o tributes the current on the electrode (2d along the folds which are adjacent and thanks to the conductive intermediate layers (14) internal to compartment A.
Likewise the plate (9d distributes the current on the electrode (3) along the folds which are adjacent to it and graceful to the layers lS conductive inserts (4) internal to compartment B.
The oxygen in the air circulating in compartment A is reduced to superoxide anions at the level of the electrode sheet (2) (cathode). Nitrogen, which does not undergo any electrochemical reaction mique is purged continuously by the outlet 15 'where we obtains oxygen-depleted air.
The superoxide anions which have migrated through the membrane (lj are oxidized at the anode (3) producing oxygen which is released in gaseous form in the compartment B and can be collected at one of the exits (16) or (16 ').
Such rodule ~ can be easily assembled in series or in parallel according to the characteristics of the generator of cou-rant which is being distributed.
EXAMPLE 7 Application of the device of Example 3 as a gauge -~ oxygen.
A device of the type of that according to the example is used 3 containing as electrolyte POE / POP / THAP / TBA02 ~ reason for 4/2/1/3 parts by weight.
We operate at 20 ~ C on discs of membranes of 3 cm2 surface and about 150 micron3 thick. The membrane thus made ~ ee ~ t lightly pre ~ sée between two cloth discs of conductive carbon of the type of that comm ~ specialized ~ ar la Société Carbone Lorraine under the ~ ~ c ~ / TCS 80 (or 3 ~ ~ 276; S1 ~ 4 ~
TCM 128) or that marketed by the International Company Paper. The carbon discs are themselves held in place by two stainless steel grids spray coated with gold cathodic, thin, which are connected to the measuring circuit (volt-digital meter).
This device is sensitive to any difference in chemical potential.
that, (in the present case of partial pressure of oxygen ~ nej, between the upstream and downstream media separated by the membrane, and provides a potential difference across the electrodes. We have cons-lo tate the appearance of a potential difference of 39 plus or minus 1 mV when the upstream medium consists of oxygen pure at a pressure of 1 bar, while the downstream medium is consisting of a mixture of nitrogen t78.91 ~) and oxygen (21.09 ~) under 1 bar of total pressure. The value of this difference of potential is very close to the theoretical value of 39.3 mV cal-abutment according to Nernst's Law for a monoelectronic transfer.
As a result, a reduction in oxygen is observed in ~ 2 high pressure side and oxidation of d'2 to ~ 2 on the side low membrane pressure. We get 90 ~ O of the answer in less than 10 seconds when switching from air to pure oxygen.
The experiment is commonly performed by maintaining one sides of the membrane under sweeping pure oxygen while the other side is alternately oxygen scanned pure and another gas whose oxygen content is to be measured.
~ ~ 7 ~ r, ~~~ 0 ~ / ~ c'-7rn ~ 7th, ~ c ~

Claims (46)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit: The realizations of the invention, about of which an exclusive right of ownership or privilege is claimed, are defined as it follows: 1. Compositions solides à base de superoxydes caractérisées en ce qu'elles comprennent:
- un matériau inerte vis-à-vis des anions superoxydes O2 -, jouant le rôle de matrice à l'égard de ces anions, - des anions superoxydes O2 -, ces compositions formant un matériau stable, jusqu'à une température ne dépassant pas 100°C environ, la matrice permettant la mobilité des ions O2- dans ce domaine de tempéra-ture.
1. Solid compositions based on superoxides characterized in that they include:
- a material inert towards superoxide anions O2 -, playing the role of matrix with regard to these anions, - superoxide O2 anions -, these compositions forming a stable material, up to a temperature not exceeding about 100 ° C, the matrix allowing the mobility of O2- ions in this temperature range-ture.
2. Compositions selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'elles contiennent les anions O2- en l'absence de tout potentiel appliqué, à une concentration d'au moins environ 10-2 milliéquivalent par gramme notamment d'au moins environ 1 à 2 milli-équivalents par gramme. 2. Compositions according to claim 1, characterized in that they contain the anions O2- in the absence of any potential applied, to a concentration of at least about 10-2 milliequivalent per gram including at least about 1 to 2 milli-equivalents per gram. 3. Compositions selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'elles se présentent sous forme de membrane dont l'épaisseur est de préférence infé-rieure à 500 µ environ, avantageusement de l'ordre de 10 à 500 µ, avantageusement d'environ 30 à 100 µ. 3. Compositions according to claim 1, characterized in that they are in the form of membrane whose thickness is preferably less than less than around 500 µ, advantageously of the order of 10 to 500 µ, preferably around 30 to 100 µ. 4. Compositions selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisées en ce qu'elles renferment des sels de superoxyde C+O2-, C+ repré-sentant un cation minéral, en particulier, de métal monovalent, plus spécialement de métal alcalin tel que Na+, K+, Rb+ et Cs+ ou de métal de transition sous forme de complexe. 4. Compositions according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that they contain superoxide salts C + O2-, C + represented smelling a mineral cation, in particular, of metal monovalent, more particularly of alkali metal such as Na +, K +, Rb + and Cs + or transition metal under form of complex. 5. Compositions selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'elles renferment des sels de superoxyde C+O2-, C+ représentant un ou plusieurs cations organiques, en particulier, un cation ammonium quaternaire, plus spécialement tétraalcoyl-ammonium quaternaire NR4+ où R représente un radical alcoyle de 1 à 10 atomes de carbone environ, de préfé-rence TMA+, TBA+ ou THA+. 5. Compositions according to claim 1, characterized in that they contain salts of superoxide C + O2-, C + representing one or more organic cations, in particular, a cation quaternary ammonium, more especially tetraalkyl-quaternary ammonium NR4 + where R represents a radical alkyl of 1 to 10 carbon atoms approximately, preferably TMA +, TBA + or THA +. 6. Compositions selon la revendication 5, caractérisées en ce que les groupes alcoyle des cations de tétraalcoylammonium sont substitués par des groupes éther par exemple, par des groupes de structure [-(CH2)2 -O]n -CH3 dans laquelle n est un entier, de préférence de 1 à 5 environ. 6. Compositions according to claim 5, characterized in that the alkyl groups of tetraalkylammonium cations are substituted with ether groups for example by groups of structure [- (CH2) 2 -O] n -CH3 in which n is a whole, preferably from 1 to 5 approximately. 7. Compositions selon la revendication 1, caractérisées en ce que la matrice est à base d'un matériau macromoléculaire. 7. Compositions according to claim 1, characterized in that the matrix is based on a macromolecular material. 8. Compositions selon la revendication 7, caractérisées en ce que le matériau macromoléculaire est à base d'un matériau polymère au moins partielle-ment amorphe aux températures de mise en oeuvre, possédant une constante diélectrique élevée et formant avec le superoxyde une phase dont la température de transition vitreuse Tg est inférieure de 50°C environ à la température de mise en oeuvre. 8. Compositions according to claim 7, characterized in that the macromolecular material is based on an at least partial polymer material-ment amorphous at processing temperatures, having a high dielectric constant and forming with superoxide a phase whose temperature of glass transition Tg is about 50 ° C lower at the processing temperature. 9. Compositions selon la revendication 8, caractérisées en ce que le matériau polymère est neutre ou chargé, comprenant plus spécialement une majorité de sites cationiques, et est formé d'un seul type de polymère ou de copolymère, ou renferme un mélange de plusieurs polymères et/ou copolymères. 9. Compositions according to claim 8, characterized in that the polymer material is neutral or charged, more particularly comprising a majority of cationic sites, and is formed by a single type of polymer or copolymer, or contains a mixture of several polymers and / or copolymers. 10. Compositions selon la revendication 9, caractérisées en ce que le matériau polymère comprend des polyoxydes d'alcoylène, des polyamides, des poly-phosphazènes ou des polyalcoylèneimines. 10. Compositions according to claim 9, characterized in that the polymeric material comprises alkylene polyoxides, polyamides, poly-phosphazenes or polyalkyleneimines. 11. Compositions selon la revendication 10, caractérisées en ce que les polyoxydes d'alcoylène comprennent le polyoxyde de propylène (POP) et le polyoxyde d'éthylène (POE). 11. Compositions according to claim 10, characterized in that the alkylene polyoxides include propylene polyoxide (POP) and polyethylene oxide (POE). 12. Compositions selon la revendication 10, caractérisées en ce que les polyphosphazènes com-prennent des groupements éther et satisfont plus spécialement à une formule du type dans laquelle R et R' représentent des chaînes hydro-carbonées saturées, comprenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes de préférence O et N, éventuel-lement associées à des groupes aromatiques, et n est le nombre de motifs dans le polymère. 12. Compositions according to claim 10, characterized in that the polyphosphazenes com-take ether groups and satisfy more specially to a formula of the type in which R and R 'represent hydro-saturated carbonaceous, optionally comprising one or several heteroatoms preferably O and N, possibly-lnely associated with aromatic groups, and n is the number of units in the polymer. 13. Compositions selon la revendication 10, caractérisées en ce que les polyphosphazènes comprennent des groupements porteurs de fonctions amine secondaire, amine tertiaire ou ammonium quater-naire seules ou en combinaison et satisfont plus spécialement à des formules du type ou dans lesquelles R, R', R1, R2, R3, R4 et R5 sont définis de la même façon que R et R' dans la revendi-cation 12. 13. Compositions according to claim 10, characterized in that the polyphosphazenes include groups carrying functions secondary amine, tertiary amine or ammonium quater-alone or in combination and satisfy more specially to formulas of the type or in which R, R ', R1, R2, R3, R4 and R5 are defined in the same way as R and R 'in the claim cation 12. 14. Compositions selon la revendication 10, caractérisées en ce que les polyamides comprennent des motifs du type dans lesquels R et R' sont tels que définis dans la revendication 12. 14. Compositions according to claim 10, characterized in that the polyamides include type patterns in which R and R 'are such that defined in claim 12. 15. Compositions selon la revendication 10, caractérisées en ce que les polyalcoylèneimines comprennent en particulier des polyéthylèneimines substitués comprenant des motifs du type R étant tel que défini dans la revendication 12. 15. Compositions according to claim 10, characterized in that the polyalkyleneimines include in particular polyethyleneimines substituted comprising motifs of the type R being as defined in claim 12. 16. Compositions selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisées en ce que les polymères comportent des chaînes latérales de substi-tution, étant entendu que celles-ci conservent le caractère inerte vis-à-vis de O2- de la matrice, en particulier des chaînes perfluoroalcoyle. 16. Compositions according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the polymers have side chains of tution, it being understood that these retain the inertness towards O2- of the matrix, in particularly perfluoroalkyl chains. 17. Compositions selon la revendication 9, caractérisées en ce que le matériau polymère comporte des sites greffés, chargés ou non, permettant la solvatation transitoire de O2 -, tels que des groupes constitués par les motifs des polymères selon la revendication 10, des groupes pyridyle, ou encore du type sulfonamide O R
-S-N-R' R et R' étant tels que définis dans la revendication 12.
17. Compositions according to claim 9, characterized in that the polymer material comprises grafted sites, loaded or not, allowing the transient solvation of O2 -, such as groups constituted by the patterns of the polymers according to the claim 10, pyridyl groups, or alternatively sulfonamide type GOLD
-SNR 'R and R' being as defined in claim 12.
18. Compositions selon la revendication 9, caractérisées en ce que le matériau polymère comprend une ou plusieurs résines échangeuses d'anions, de préférence une ou plusieurs résines ammonium quater-naire, comprenant des motifs tels que :
dans laquelle R et R' représentent des chaînes hydro-carbonées saturées, comprenant éventuellement un ou plusieurs hétéroatomes de préférence O et N, éven-tuellement associées à des groupes aromatiques, et n est le nombre de motifs dans le polymère, les anions de la résine choisis notamment parmi les anions fluorure, chlorure, hydroxyde, iodure, tetraphényl-borate, carbonate ou acétate, ayant été préalablement échangés, tout ou en partie, par des anions O2-.
18. Compositions according to claim 9, characterized in that the polymeric material comprises one or more anion exchange resins, preferably one or more quater ammonium resins nary, including reasons such as:
in which R and R 'represent hydro-saturated carbonaceous, optionally comprising one or several heteroatoms preferably O and N, even tally associated with aromatic groups, and n is the number of units in the polymer, the anions resin chosen in particular from anions fluoride, chloride, hydroxide, iodide, tetraphenyl-borate, carbonate or acetate, having been previously exchanged, in whole or in part, by O2- anions.
19. Compositions selon la revendication 18, caractérisées en ce que la résine est un homo ou copo-lymère ionique élaboré à partir d'un monomère ammonium quaternaire vinylique ou allylique, seul ou en copoly-mère avec d'autres monomères ammonium quaternaire allyliques ou vinyliques différents. 19. Compositions according to claim 18, characterized in that the resin is a homo or copo-ionic lymer produced from an ammonium monomer vinyl or allylic quaternary, alone or in copoly-mother with other quaternary ammonium monomers different allyl or vinyl. 20. Compositions selon la revendication 7, caractérisées en ce qu'elles comprennent, en outre, au moins un additif capable, notamment, d'augmenter la conductivité ionique du matériau de matrice, choisi en particulier dans le groupe comprenant a/ des polymères plus spécialement du type définis dans la revendication 9, b/ des agents plastifiants, tels que des plastifiants polaires, comme les composés cyanés, en particulier, un composé contenant ces groupes du type 2,4,6-triméthoxybenzonitrile, ou encore c/ des sels, notamment du type A-NR4+ dans lequel:
A- est un anion tel que C104-, B(C6H5)4-, Cn, F2n'+1 SO3- R étant tel que défini dans la revendication 12, et n' est un entier de 1 à 10 environ, ou d/ des additifs neutres en particulier des composés comportant un noyau pyridine tel que la 2,2'-bi-pyridine.
20. Compositions according to claim 7, characterized in that they further comprise minus an additive capable, in particular, of increasing the ionic conductivity of the matrix material, chosen in particular in the group comprising a / polymers more especially of the defined type in claim 9, b / plasticizing agents, such as plasticizers polar, like cyan compounds, in particular, a compound containing these groups of the 2,4,6- type trimethoxybenzonitrile, or c / salts, in particular of the A-NR4 + type in which:
A- is an anion such as C104-, B (C6H5) 4-, Cn, F2n '+ 1 SO3- R being as defined in claim 12, and n 'is an integer from 1 to 10 approximately, or d / neutral additives, in particular compounds having a pyridine nucleus such as 2,2'-bi-pyridine.
21. Compositions selon la revendication 7, caractérisées en ce que le matériau polymère se pré-sente sous forme réticulée ou sous forme tramée;
comportant notamment une trame formée à partir d'un autre polymère ou copolymère inerte vis-à-vis des ions O2-.
21. Compositions according to claim 7, characterized in that the polymer material is pre-smells in cross-linked or grid form;
comprising in particular a frame formed from a other polymer or copolymer inert towards ions O2-.
22. Compositions selon la revendication 1, caractérisées en ce que la matrice contenant les ions O2- est l'association d'un liquide, éventuellement gélifié, et d'un support constitué par un matériau solide autorisant la percolation des ions O2-. 22. Compositions according to claim 1, characterized in that the matrix containing the ions O2- is the association of a liquid, possibly gelled, and a support constituted by a material solid allowing percolation of O2- ions. 23. Compositions selon la revendication 22, caractérisées en ce qu'elles comprennent des supports de préférence minces, par exemple, à base de verre ou de céramique, tels que fibres de verre agglomérées, verre fritté ou verre poreux, ou à base de polymère mouillable, poreux ou gonflable par une solution d'imprégnation, ce polymère étant inerte chimiquement vis-à-vis des constituants de la solution. 23. Compositions according to claim 22, characterized in that they include supports preferably thin, for example, based on glass or ceramic, such as agglomerated glass fibers, sintered glass or porous glass, or based on polymer wettable, porous or swellable with a solution impregnation, this polymer being chemically inert vis-à-vis the constituents of the solution. 24. Compositions selon la revendication 21, caractérisées en ce que le liquide supporté est un sel de superoxyde fondu ou en solution concentrée dans un solvant compatible. 24. Compositions according to claim 21, characterized in that the supported liquid is a salt molten superoxide or concentrated solution in a compatible solvent. 25. Procédé de préparation des compositions selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'incorporation d'anions O2- dans une matrice telle que définie dans la revendication 1, cette incorporation étant effectuée par voie chimique en présence d'un solvant dans lequel la matrice et le superoxyde sont solubles ou peuvent être rendus solubles à l'aide d'additifs, ou par voie électro-chimique, dans laquelle on réalise l'accumulation d'anions O2- dans une matrice électrolytique par remplacement d'autres anions électro-actifs pré-existant dans la matrice, ceux-ci étant éliminés par oxydation anodique au fur et à mesure de la création d'ions O2- à une cathode soumise à un flux d'oxygène gazeux ou dissous. 25. Process for the preparation of the compositions according to claim 1, characterized in that it includes incorporating O2- anions into a matrix as defined in claim 1, this incorporation being carried out chemically in presence of a solvent in which the matrix and the superoxide are soluble or can be made soluble using additives, or electronically chemical, in which the accumulation is carried out of O2- anions in an electrolytic matrix by replacement of other pre-active electroactive anions existing in the matrix, these being eliminated by anodic oxidation as it is created of O2- ions at a cathode subjected to a flow of oxygen gaseous or dissolved. 26. Procédé selon la revendication 25, carac-térisé en ce que pour préparer les compositions de superoxydes sous forme de membrane, on procède à
l'évaporation du ou des solvants d'un mélange constitué, d'une part d'une solution du matériau constituant la matrice et, d'autre part, d'une solution du sel de superoxyde, ces solutions étant dégazées, puis on sèche la membrane formée de préfé-rence sous courant de gaz inerte à température contrôlée et on effectue avantageusement un recuit de préférence à une température proche de la fusion du matériau de matrice dans la mesure où le superoxyde n'est pas dégradé à cette température.
26. The method of claim 25, charac-terized in that to prepare the compositions of superoxides in membrane form, we proceed to evaporation of the solvent (s) from a mixture consisting, on the one hand, of a solution of the material constituting the matrix and, on the other hand, of a solution of the superoxide salt, these solutions being degassed, and then the membrane formed is preferably dried.
under inert gas flow at temperature controlled and advantageously an annealing of preferably at a temperature close to the melting of matrix material as far as superoxide is not degraded at this temperature.
27. Procédé de préparation de superoxydes d'ammonium quaternaires utilisables dans le procédé
selon la revendication 25, caractérisé en ce qu'on fait réagir, en milieu solvant organique, notamment dans de la pyridine a/ un sel d'ammonium quaternaire dont l'anion inerte vis-à-vis de O2- est choisi de préférence parmi les anions F-, I-, OH-, NO3- , ClO4 , BPh4-, CH3COO-, CO3--b/ un excès de superoxyde dont le cation est un cation de métal alcalin de préférence K+ ou un cation ammonium quaternaire de préférence TMA+.
27. Process for the preparation of superoxides of quaternary ammonium used in the process according to claim 25, characterized in that reacts, in an organic solvent medium, in particular in pyridine a / a quaternary ammonium salt whose inert anion vis-à-vis O2- is preferably chosen from among anions F-, I-, OH-, NO3-, ClO4, BPh4-, CH3COO-, CO3--b / an excess of superoxide of which the cation is a alkali metal cation preferably K + or a cation quaternary ammonium, preferably TMA +.
28. Matériaux électrolytiques, caractérisés en ce qu'ils sont à base de compositions de superoxydes selon la revendication 1. 28. Electrolytic materials, characterized in what they are based on superoxide compositions according to claim 1. 29. Matériaux selon la revendication 28, carac-térisés en ce qu'ils comportent en outre des parti-cules conductrices électroniques telles que des parti-cules de carbone ou de magnétitc Fe3O4, ces particules étant en concentration suffisante pour conférer auxdits matériaux une conductivité électronique à la température d'utilisation. 29. Materials according to claim 28, charac-terized in that they further comprise electronic conductive cells such as particles carbon or Fe3O4 magnetules, these particles being in sufficient concentration to confer to said materials an electronic conductivity at the operating temperature. 30. Matériaux selon la revendication 28, carac-térisés en ce qu'ils renferment un matériau polymère, en particulier, un polyoxyde d'alcoylène tel que le polyoxyde de propylène (POP) et le polyoxyde d'éthylène (POE). 30. Materials according to claim 28, charac-terized in that they contain a polymeric material, in particular, an alkylene polyoxide such as propylene polyoxide (POP) and polyoxide ethylene (POE). 31. Matériaux selon la reendication 30, caracté-risés en ce qu'ils comprennent un copolymére, plus spécialement un copolymère statistique avec des unités OE et OP, avantageusement au moins 5% de OP, de préfé-rence 40% environ, le poids moléculaire du copolymère étant de l'ordre de 5000 à 500,000. 31. Materials according to claim 30, character-laughed at in that they include a copolymer, plus specially a random copolymer with units OE and OP, advantageously at least 5% of OP, preferably approximately 40%, the molecular weight of the copolymer being of the order of 5000 to 500,000. 32. Matériaux selon la revendication 28, carac-térisés en ce qu'ils se présentent sous forme de membranes comprenant un mélange de polymères et un ou plusieurs additifs, en particulier, un mélange de polymères/additifs/superoxyde, selon des proportions pondérales de 6/1/2 environ, le mélange de polymères étant en particulier à base de POE, et d'un autre polymère tel que POP, de préférence selon un rapport de 4/2. 32. Materials according to claim 28, charac-in the form of membranes comprising a mixture of polymers and one or more several additives, in particular a mixture of polymers / additives / superoxide, in proportions by weight of approximately 6/1/2, the mixture of polymers being in particular based on POE, and another polymer such as POP, preferably according to a ratio of 4/2. 33. Matériaux selon la revendication 32, carac-térisés en ce que les membranes comprennent [POE/POP/
additif tel que THAP/superoxyde tel que TBAO2], selon les proportions pondérales d'environ [3 à 5/2/1/2] ou encore [POE/POP/additif tel que THAP/superoxyde minéral tel que KO2/agent complexant tel qu'éther couronne 18-crown-6] selon les proportions pondérales [3 à 5/2/1/0,4/0,4].
33. Materials according to claim 32, charac-terized in that the membranes include [POE / POP /
additive such as THAP / superoxide such as TBAO2], depending on the weight proportions of approximately [3 to 5/2/1/2] or again [POE / POP / additive such as THAP / superoxide mineral such as KO2 / complexing agent such as ether crown 18-crown-6] according to the proportions by weight [3 to 5/2/1 / 0.4 / 0.4].
34. Cellules électrochimiques de transfert d'oxygène caractérisées en ce qu'elles mettent en jeu, comme transporteurs sélectifs d'oxygène et de courant, des ions O2- se déplaçant au sein d'une matrice d'un matériau électrolytique selon la revendication 28. 34. Electrochemical transfer cells oxygen characterized in that they involve, as selective oxygen and current carriers, O2- ions moving within a matrix of electrolytic material according to claim 28. 35. Cellules électrochimiques selon la revendi-cation 34, caractérisées en ce qu'elles comportent le matériau électrolytique, avantageusement sous forme de membrane, confiné entre deux électrodes coextensives face contre face avec ledit film, ces électrodes étant constituées d'un matériau conducteur perméable aux agaz, inerte vis-à-vis du matériau électrolytique à
température inférieure à 100°C et inoxydable au moins pour ce qui concerne l'anode, ce matériau étant iden-tique ou différent pour les deux électrodes.
35. Electrochemical cells as claimed cation 34, characterized in that they include the electrolytic material, advantageously in the form of membrane, confined between two coextensive electrodes face to face with said film, these electrodes being made of a conductive material permeable to agaz, inert towards the electrolytic material to temperature below 100 ° C and at least stainless as regards the anode, this material being identical tick or different for the two electrodes.
36. Cellules électrochimiques selon la revendi-cation 35, caractérisées en ce que les matériaux d'électrode sont à base de carbone. 36. Electrochemical cells as claimed cation 35, characterized in that the materials are carbon-based. 37. Cellules électrochimiques selon la revendi-cation 35, caractérisées en ce que l'une au moins des électrodes est formée d'une combinaison de matériaux, notamment, d'une trampe d'un polymère doté de pro-priétés de résistance élevée, supportant un film très mince de polymère conducteur électronique lui-même chargé de poudre de carbone vitreux ou d'un autre produit assurant un bon transfert électronique, ou encore d'un ou de plusieurs matériaux leur conférant des propriétés de conduction à la fois électronique et ionique vis-à-vis de O2-. 37. Electrochemical cells as claimed cation 35, characterized in that at least one of electrodes is formed from a combination of materials, in particular, a tramp of a polymer provided with properties of high resistance, supporting a very thin film thin electronic conductive polymer itself loaded with glassy carbon powder or some other product providing good electronic transfer, or still one or more materials giving them conduction properties both electronic and ionic with respect to O2-. 38. Cellules électrochimiques selon l'une quelconque des revendications 34 à 36 caractérisées en ce qu'elles comportent un conducteur mixte électro-nique et ionique, interposé entre l'électrode et l'électrolyte, dans lequel O2 est soluble. 38. Electrochemical cells according to one any of claims 34 to 36 characterized in what they include a mixed electro- conductor ionic and ionic, interposed between the electrode and the electrolyte, in which O2 is soluble. 39. Cellulles électrochimiques selon l'une quelconque des revendications 34 à 36 caractérisées en ce qu'elles se présentent sous forme de petits modules de quelques dizaines à quelques centaines de m2 chacun, notamment de modules cylindriques où la membrane est enroulée en spirale, du type de ceux uti-lisés en perméation gazeuse classique, ou de modules comprenant les membranes pliées en accordéon dans un boîtier, ces modules étant montés en série, en parallèle ou en séries parallèles. 39. Electrochemical cells according to one any of claims 34 to 36 characterized in that they are in the form of small modules from a few dozen to a few hundred m2 each, in particular of cylindrical modules where the membrane is wound in a spiral, of the type used read in conventional gas permeation, or modules including accordion-folded membranes in a housing, these modules being mounted in series, in parallel or in parallel series. 40. Procédé de transfert sélectif d'oxygène d'un premier milieu à un second milieu, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre la réduction électrochimique d'oxygène conduisant à la formation transitoire d'ions O2 -, la diffusion d'oxygène sous forme O2- dans un matériau électrolytique selon la revendication 28 ce matériau constituant une barrière pratiquement complè-tement imperméable aux gaz, et l'oxydation en oxygène des ions O2-. 40. Process for the selective transfer of oxygen from a first medium to a second medium, characterized in that that we implement electrochemical reduction oxygen leading to transient ion formation O2 -, the diffusion of oxygen in the form O2- in a electrolytic material according to claim 28 ce material constituting a practically complete barrier highly impermeable to gases, and oxidation to oxygen O2- ions. 41. Procédé selon la revendication 40, carac-térisé en ce qu'on impose une différence de potentiel, à l'aide d'un générateur électrique extérieur, aux bornes des électrodes d'une cellule telle que définie dans l'une quelconque des revendications 34 ou 35 séparant les premier et second milieux. 41. Method according to claim 40, charac-terrified in that we impose a potential difference, using an external electric generator, terminals of the electrodes of a cell as defined in any of claims 34 or 35 separating the first and second media. 42. Procédé selon la revendication 40, caracté-risé en ce qu'on utilise une cellule électrochimique selon l'une quelconque des revendications 34 ou 35 dans laquelle les deux électrodes sont reliées par un circuit extérieur passif comportant un interrupteur et un système à résistance variable et qu'on maintient entre les deux faces du matériau électrolytique de la cellule une différence de pression partielle d'oxy-gène, ce qui permet de réguler ou d'interrompre le flux d'oxygène transféré du milieu de pression partielle élevée en oxygène au milieu de pression partielle plus basse. 42. The method of claim 40, character-laughed at using an electrochemical cell according to any of claims 34 or 35 in which the two electrodes are connected by a passive outdoor circuit with switch and a variable resistance system that we maintain between the two faces of the electrolytic material of the cell a partial pressure difference of oxy-gene, which helps regulate or stop the oxygen flow transferred from the pressure medium partial high oxygen in the middle of pressure partial lower. 43. Procédé de transfert sélectif d'oxygène d'un premier milieu gazeux à pression partielle d'oxygène dite élevée vers un second milieu à pression partielle d'oxygène plus faible, caractérisé en ce que l'on maitient une différence de pression partielle d'oxygène entre lesdits milieux séparés par une membrane comportant un matériau selon la revendication 29. 43. Process for the selective transfer of oxygen from a first gaseous medium at partial pressure of oxygen so-called high towards a second pressure medium partial weaker oxygen, characterized in that we control a partial pressure difference of oxygen between said media separated by a membrane comprising a material according to claim 29. 44. Procédé de mesure de pression partielle d'oxygène dans un gaz, caractérisé par la mesure d'une différence de potentiel électrique apparaissant aux bornes des électrodes d'une cellule électrochimique selon l'une quelconque des revendications 34 ou 35 et séparant deux milieux, avec maintien d'une pression partielle d'oxygène de référence dans un premier milieu adjacent à une électrode et admission d'un gaz à pression partielle d'oxygène à mesurer dans le second milieu adjacent à l'autre électrode. 44. Partial pressure measurement method oxygen in a gas, characterized by measuring a difference in electrical potential appearing at electrode terminals of an electrochemical cell according to any one of claims 34 or 35 and separating two media, maintaining pressure partial reference oxygen in a first medium adjacent to an electrode and gas inlet at partial pressure of oxygen to be measured in the second medium adjacent to the other electrode. 45. Procédé de transfert sélectif d'oxygène d'un premier milieu gazeux à pression partielle d'oxygène dite élevée dans un second milieu à pression partielle d'oxygène plus faible, caractérisé en ce qu'on maintient une différence de pression partielle entre les milieux considérés séparés par une cellule électrochimique selon l'une quelconque des revendi-cations 34 à 36 et que la tension électrique générée aux bornes des électrodes est utilisée comme source d'énergie électrique. 45. Process for the selective transfer of oxygen from a first gaseous medium at partial pressure of oxygen said to be high in a second medium at partial pressure of lower oxygen, characterized in that maintains a partial pressure difference between the environments considered separated by a cell electrochemical according to any one of the claims cations 34 to 36 and that the electrical voltage generated across the electrodes is used as a source of electrical energy. 46. Procédé de transfert sélectif d'oxygène selon la revendication 40, appliqué à la séparation d'oxygène, en vue notamment de la production d'oxygène par concentration à partir de l'air, pour l'industrie ou dans le domaine médical, de la purification de gaz contenant de l'oxygène et de l'introduction de quantités contrôlées d'oxygène dans un gaz. 46. Process for selective oxygen transfer according to claim 40, applied to the separation oxygen, in particular for the production of oxygen by concentration from air, for industry or in the medical field, gas purification containing oxygen and the introduction of controlled amounts of oxygen in a gas.
CA000501926A 1985-02-15 1986-02-14 Solid compounds based on superoxides exhibiting high ion conductivity, theirmanufacture, and related electrochemical uses Expired - Lifetime CA1276584C (en)

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