Mécanismes de dégradation des catalyseurs modèles anodiques à base d'iridium dans les électrolyseurs de l'eau PEMWE

par Marion Scohy

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Éric Sibert et de Laetitia Dubau.

Soutenue le 11-10-2019

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Fabienne Berthier.

Le jury était composé de Frédéric Maillard.

Les rapporteurs étaient Antoine Bonnefont, Fouad Maroun.

mots clés

• Electrolyseur de l'Eau à Membrane Echangeuse de Proton (PEMWE)
• Réaction de dégagement d'oxygygène
• Monocristaux
• Iridium
• Film mince nickel-Iridium
• Oxyde d'iridium
• Électrolyseurs
• Monocristaux
• Iridium

Résumé

Face à la nécessité d’une réduction drastique des émissions de gaz à effet de serre, le déploiement des piles à combustibles est présenté comme une solution d’avenir. La production d’hydrogène décarbonée est un des enjeux futurs pour permettre une transition énergétique efficace. Dans cette optique, l’électrolyseur à membrane échangeuse de proton (PEMWE), combiné aux sources énergétiques renouvelables, est une technologie intéressante. De nombreux défis sont encore à relever pour permettre une commercialisation de cette technologie, en particulier côté anodique. L’oxyde d’iridium, matériau coûteux et très rare, est utilisé à l’anode pour sa capacité à catalyser le dégagement d’oxygène tout en résistant aux conditions acide et oxydante. Il subit néanmoins des dégradations au cours de son utilisation.Dans ce travail, différentes surfaces modèles d’iridium pour le dégagement d’oxygène ont été étudiées pour comprendre les mécanismes mis en jeu lors des premières étapes d’oxydation de la surface et du dégagement d’oxygène. Après caractérisations par spectroscopie d’impédance électrochimique dynamique (DEIS), technique innovante permettant d’analyser les systèmes dynamiques, les relations structure-activité-stabilité lors du dégagement d’oxygène ont été étudiées en comparant des surfaces modèles d’iridium ((111), (210) et (210) nanostructurée). Les résultats obtenus mettent en évidence qu’après quelques heures à haut potentiel (> 1,6 V vs. Electrode Réversible à Hydrogène), ces surfaces, de structures et compositions chimiques initiales différentes, tendent vers le même état. Enfin, l’étude de films minces d’iridium et de nickel@iridium, modélisant des particules cœur@coquille, a montré qu’après dissolution du nickel initialement présent, une couche poreuse active pour le dégagement d’oxygène est formée. Ces résultats sont prometteurs pour la synthèse de catalyseurs à base d’iridium pour le dégagement de dioxygène.

mots clés

• Pemwe
• Oxygen Evolution Reaction
• Single crystals
• Iridium
• Nickel-Iridium thin film
• Iridium oxide

Titre traduit

Degradation mechanisms of anodic model catalysts in PEM water electrolyzers

Résumé

With the need for a drastic reduction of greenhouse gases, the deployment of fuel cells is one of the considered solutions. Decarbonated hydrogen production is subsequently a major challenge to enable an efficient energetic transition. From this perspective, Proton Exchange Membrane Water Electrolyser (PEMWE) is a technology of interest, especially if coupled with renewable energy sources. Key challenges are still to be addressed before commercializing this technology, in particular at the anode. Iridium oxide, a costly and rare material, is implemented in anodic catalytic layers to catalyse the Oxygen Evolution Reaction (OER) while being resistant to harsh acidic and oxidative conditions. It nonetheless undergoes some degradations.In this work, different iridium model surfaces for the OER where studied to understand mechanisms involved during the first oxidations step and oxygen evolution. After characterisations by Dynamic Electrochemical Impedance Spectroscopy (DEIS), an innovative technique used to study dynamic systems, structure-activity-stability relationships towards the OER were studied by comparing iridium model surfaces ((111), (210) and nanostructured (210)). Results showed that after few hours at high potential (> 1.6 V vs. Reversible Hydrogen Electrode)), these surfaces, with different initial chemical compositions and structures, tend to the same state. Finally, iridium and nickel@iridium thin films were studied, to model core@shell particles. Results indicate that the nickel dissolution lead to the formation of a porous layer more active towards the OER. These findings could help to design active iridium catalysts for the OER.