Nanoparticules d'oxyde de nickel et de cobalt incorporées dans des films de polypyrrole en tant que matériau électrocatalytique efficace pour l'oxydation de l'eau

Nickel and cobalt oxide nanoparticles embedded into polypyrrole films as efficient electrocatalytic material for water oxidation

• Auteur / Autrice : Catalina Andrea Astudillo Neira
• Direction : Marie-Noëlle Collomb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie inorganique et bio inorganique
• Date : Soutenance le 07/10/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département de chimie moléculaire (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Bucher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Noëlle Collomb, Bruno Fabre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Bucher, Christine Mousty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polypyrrole

Électrocatalyse

Anodes

Catalyseurs

Mots clés libres

Catalyseur

Oxyde métallique

Nanocomposites

Oer

Metallic oxide

Nanocomposites

Catalyst

Oer

Résumé

Ce mémoire de thèse porte sur le développement d'anodes très actives et stables pour l'oxydation électrocatalytique de l'eau dans des conditions de pH presque neutre, à base de nanoparticules d'oxyde de nickel ou de cobalt ou de nickel/fer incorporées dans une matrice de poly(pyrrole-alkylammonium). Préparés par un procédé entièrement électrochimique, ces matériaux nanocomposites sont hautement nanostructurés avec des tailles de particules d'oxyde métallique comprises entre 20 et 30 nm, qui sont bien dispersées dans le film de polypyrrole, conférant une grande surface électroactive et donc une grande activité électrocatalytique vis-à-vis de l'oxydation de l'eau à un pH proche de la neutralité de 9,2. Ces performances placent ces électrodes à base de nanocomposites parmi les anodes les plus actives décrites dans la littérature, employant des oxydes de nickel, ou de cobalt, ou de nickel/fer à pH 9,2. De plus, lorsque le matériau nanocomposite est électrodéposé sur de l'ITO poreux, la physisorption du film nanocomposite est considérablement améliorée et, par conséquent, son activité catalytique demeure très stable au-delà de 24 heures d'électrolyse. Ce travail démontre le rôle bénéfique de la matrice de polypyrrole chargée positivement dans la préparation de petites particules d'oxyde métallique et dans l'obtention d'anodes très stables et actives pour l'oxydation de l'eau.

This thesis deals with the development of highly active and stable anodes for electrocatalytic water oxidation under near-neutral pH conditions, based on nickel or cobalt or nickel/iron oxide nanoparticules embedded into a poly(pyrrole-alkylammonium) matrix. Prepared by an all-electrochemical procedure, these nanocomposite materials are highly nanostructured with sizes of metal oxide particle between 20 and 30 nm, which are well dispersed into the polypyrrole film, conferring a great electroactive surface area and thus a high electrocatalytic activity towards water oxidation at near neutral pH of 9.2. These performances place these nanocomposite based electrodes among the most active anodes described in the literature employing either nickel or cobalt or nickel/iron oxide at pH 9.2. In addition, when the nanocomposite material is electrodeposited on porous ITO, the physisorption of the nanocomposite film is considerably enhanced and consequently its catalytic activity is very stable beyond 24 h of electrolysis. This work demonstrates the beneficial role of positively charged polypyrrole matrix in the preparation of small particles of metal oxide and in the achievement of highly stable and active anodes for water oxidation.