Investigation d'électrocatalyseurs pour les piles à combustible à membrane anionique

Investigation of electrocatalysts for anion-exchange membrane fuel cells

• Auteur / Autrice : Pietro Giovanni Santori
• Direction : Frédéric Jaouen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Deborah Jacqueline Jones
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Jaouen, Deborah Jacqueline Jones, Elena R. Savinova, Nicolas Alonso-Vante, Serhiy Cherevko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elena R. Savinova, Nicolas Alonso-Vante

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible à membranes anioniques

Électrocatalyse

Catalyse

Électrochimie

Mots clés libres

Électrochimie

Pile à combustible

Catalyse

Electrochemistry

Fuel cell

Catalysis

Résumé

Cette thèse de doctorat étudie la synthèse, caractérisation structurale et activité pour la réaction de réduction de O2 (ORR) de catalyseurs Fe-N-C et de composites d’oxydes de manganèse supporté sur Fe-N-C, ainsi que leur utilisation en pile à combustible à membrane échangeuse d’anions (AEMFC). Tandis que les piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) requièrent aujourd’hui du platine dans ses catalyseurs pour atteindre des hautes performances, les piles AEMFC peuvent ouvrir la voie vers des piles sans métaux précieux. Si les catalyseurs Fe-N-C sont actuellement étudiés comme alternative au platine à la cathode des PEMFC, ils souffrent d’une faible activité et d’une durabilité limitée dans ce milieu. En revanche, on peut espérer que l’activité et la durabilité des catalyseurs Fe-N-C soient améliorées dans les AEMFC.Ce travail démontre la haute activité, stabilité et durabilité en milieu alcalin de catalyseurs Fe-N-C comprenant des sites FeNx à un atome de fer. Ils ont été préparés à partir de ZIF-8 et de sel de fer, pyrolysé sous Ar (Fe0.5-Ar) puis sous NH3 (Fe0.5-NH3). Leur activité a été mesurée en électrode à disque tournant (RDE) et en AEMFC, tandis que la stabilité a été mesurée en RDE et operando avec un spectromètre de masse (ICP-MS) en aval d’une cellule à flux (SFC), en électrolyte acide et alcalin. Le dispositif ICP-MS/SFC a été utilisé pour mesurer in operando la dissolution du fer. En électrolyte acide oxygéné, la vitesse de dissolution du fer du catalyseur le plus actif (Fe0.5-NH3) est 10 fois plus rapide que celle du catalyseur moins actif, Fe0.5-Ar. Ceci explique la faible stabilité des catalyseurs Fe-N-C pyrolysés sous NH3 en PEMFC. En revanche, en électrolyte alcalin, les vitesses de dissolution du fer sont faibles, même pour Fe0.5-NH3. Ces résultats vont de pair avec l’absence de changement d’activité en RDE après un test de dégradation accélérée. La nature des sites actifs a de plus été étudiée par spectroscopie d’absorption de rayons X en mode operando.Afin de réduire la quantité de peroxyde d’hydrogène sur Fe-N-C pendant l’ORR, plusieurs oxydes de manganèse ont été synthétisés et leur activité pour l’ORR et la réaction de réduction du peroxyde d’hydrogène (HPRR) évaluée. Il a été démontré par ICP-MS/SFC que même l’oxyde de manganèse le plus stable, Mn2O3, peut dissoudre une quantité importante de Mn pendant l’ORR en milieu alcalin. De plus, cette dissolution est due au peroxyde d’hydrogène produit pendant l’ORR. Des composites MnOx/Fe0.5-NH3 ont été étudiés pour les réactions ORR et HPRR. Tous ont montré une meilleure sélectivité pendant l’ORR que Fe0.5-NH3 seul, et l’effet le plus important fut avec Mn2O3.Avant d’étudier ces catalyseurs en AEMFC, une étude a été faite sur la compatibilité entre différents catalyseurs de l’ORR et/ou de l’oxydation de H2 (Pt/C, Fe0.5-NH3, PtRu/C, Pd-CeO2/C) et des ionomères échangeurs d’anion, en RDE dans 0.1 M KOH. Ceci a permis d’identifier certains problèmes entre les ionomères étudiés et les catalyseurs comprenant une faible quantité de métal (Fe0.5-NH3, Pd-CeO2/C).Les catalyseurs Fe0.5-NH3 et Mn2O3/Fe0.5-NH3 ont alors été étudiés en AEMFC avec un ionomère à base d’éthylène-tetrafluoroéthylène. Les deux catalyseurs atteignent une densité de courant de 80 mA cm-2 à 0.9 V, avec un chargement de 1.0-1.5 mg cm-2. Le pic de puissance sous H2/O2 est de 1 W cm-2 à 60°C, avec une AEM à base de polyéthylène basse densité, et de 1.4 W cm-2 à 65°C avec une AEM en polyéthylène haute densité. En comparaison, une densité de courant de 70 mA cm-2 à 0.9 V et un pic de puissance de 1.5 W cm-2 ont été obtenus avec 0.45 mgPt cm-2 à la cathode (40 wt% Pt/C) à 60°C, avec l’AEM en polyéthylène basse densité. Un test de durabilité de 100 h à 0.6 A cm-2 sous air a montré une bonne stabilité de Fe0.5-NH3.En conclusion, ce travail met en exergue l’application prometteuse des catalyseurs Fe-N-C à la cathode de piles AEMFC, afin de s’affranchir des catalyseurs à base de métaux précieux.

This PhD thesis investigates the synthesis, structural characterization and oxygen reduction reaction (ORR) activity of Fe-N-C catalysts and composites of Fe-N-C and manganese oxides, and their application at the cathode of anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs). Compared to proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), where platinum is today needed to reach high performance, AEMFCs hold the promise to reach high performance without precious metals in their catalysts. While Fe-N-C catalysts are currently investigated as an alternative to Pt/C for PEMFC cathodes, they suffer from lower activity and lower durability in the acidic medium of PEMFCs. In contrast, both the ORR activity and stability of Fe-N-C catalysts can be expected to be significantly improved in AEMFC.This PhD work demonstrates the high activity, stability and durability in alkaline medium of Fe-N-C catalysts with atomically-dispersed FeNx sites. They were prepared from a mix of ZIF-8 and iron salt, pyrolyzed in argon (Fe0.5-Ar) and then ammonia (Fe0.5-NH3). The activity was measured in a rotating disk electrode (RDE) and in AEMFC, while the stability was measured in RDE and in operando with mass spectroscopy (ICP-MS) coupled with a scanning flow cell, in both acid and alkaline media. The latter setup was used to measure Fe dissolution in operando. It was evidenced that, in oxygenated acid electrolyte, the iron leaching rate of the most active Fe-N-C catalyst (Fe0.5-NH3) is 10 times faster compared to the less active Fe0.5-Ar. This explains the reduced stability of ammonia-treated Fe-N-C catalysts in operating PEMFC. In contrast, in alkaline medium, very little demetallation was observed even for Fe0.5-NH3. This was correlated with almost unchanged activity after load cycling in RDE. The nature of the active sites was investigated with X-ray absorption spectroscopy, including in operando measurements.Then, to minimize the amount of peroxide species during ORR on Fe-N-C, different manganese oxides were synthesized and their activity for ORR and hydrogen peroxide reduction reaction (HPRR) were evaluated, while operando manganese dissolution was investigated with ICP-MS. It was found that even the most stable Mn-oxide, Mn2O3, leached a significant amount of Mn during ORR in alkaline medium. It was further demonstrated that the Mn leaching is associated with hydrogen peroxide produced during ORR. Composites of Fe0.5-NH3 and Mn-oxides were then investigated for ORR and HPRR. Improved selectivity during ORR was observed for all composites relative to Fe0.5-NH3 alone, but the effect was strongest for Mn2O3.Before investigating such catalysts in AEMFC, a study on the compatibility between different ORR and/or hydrogen oxidation reaction catalysts (Pt/C, Fe0.5-NH3, PtRu/C, Pd-CeO2/C) and anion exchange ionomers was performed in RDE in 0.1 M KOH. The study identified issues between the investigated ionomers and catalysts having low metal contents on the carbon support (Fe0.5-NH3, Pd-CeO2/C).The catalyst Fe0.5-NH3 and its composite with Mn2O3 were then investigated in AEMFC with an ethylene-tetrafluoroethylene ionomer. Both cathode catalysts reached a current density of ca 80 mA cm-2 at 0.9 V, with relatively low loading of 1.0-1.5 mg catalyst·cm-2. The peak power density with H2/O2 reached 1 W cm-2 at 60°C with a low density polyethylene AEM and 1.4 W cm-2 with high density polyethylene AEM at 65°C. By comparison, a current density of ca 70 mA cm-2 at 0.9 V and peak power density of 1.5 W cm-2 was reached with 0.45 mgPt cm-2 at the cathode (40 wt% Pt/C) with low density polyethylene AEM at 60°C. A durability test of 100 h at 0.6 A cm-2 in air showed good stability of the Fe0.5-NH3 catalyst.In conclusion, this work highlights the promising application of Fe-N-C catalysts at the cathode of AEMFCs for replacing precious metal catalysts.