Oxygen Reduction Reaction with Molybdenum-Containing Oxysulfide Nanoparticles : from Colloidal Synthesis to Surface Activity

par Thi Kim-Chi Lê

Thèse de doctorat en Physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Clément Sanchez et de Sophie Carenco.

Le président du jury était Jennifer Péron.

Le jury était composé de Clément Guibert.

Les rapporteurs étaient Pavel Afanasiev, Catherine Amiens.

  • Titre traduit

    La réduction de l’oxygène et les nanoparticules contenant de l’oxysulfure de molybdène : de la synthèse colloïdale à la réactivité de surface


  • Résumé

    Aujourd'hui, dans les véhicules individuels, les piles à combustible concurrencent les batteries Li-ion par de nombreux avantages. Donc, remplacer les métaux nobles par des métaux plus abondants dans des catalyseurs est essentiel pour les rendre abordables. Le molybdène peut être un bon candidat puisque certains composés (ex. MoS2, MoO2) ont une activité pour la réduction de l’oxygène (ORR). Les oxysulfures de molybdène, relativement méconnus, pourraient être utilisés comme électrodes pour les batteries Li-ion ou les catalyseurs grâce à leur structure poreuse sous formes amorphes (couches minces et poudres massives). Leur synthèse colloïdale à basse température, favorisant les matériaux nanométriques et évitant des synthèses énergivores, est très peu étudiée. Il en va de même pour leur réactivité catalytique en ORR. Ici, la synthèse colloïdale bien connue d'oxysulfures de lanthanides à basse température (environ 300 °C), produisant par exemple Gd2O2S, est étendue à l’usage de précurseurs de molybdène. Nous avons étudié deux voies de synthèse basées sur celle des nanoplaquettes de Gd2O2S : par un protocole en deux étapes (ajout d'un précurseur de Mo à des nanoplaquettes de Gd2O2S fraîchement formées et non lavées) ou un autre en une étape (ajout simultané des deux précurseurs métalliques). L'analyse structurale a montré que la première méthode conduit possiblement à un dépôt de tétraèdres isolés de molybdate sur des nanoplaquettes de Gd2O2S sans changer leur forme et leur taille, tandis que la deuxième conduit plutôt à un environnement local de Mo plus sulfuré. En ORR, seuls les échantillons dopés au molybdate (à faible dose) ont montré des résultats positifs, qui sont directement liés à la présence de Mo. D'autres travaux exploratoires sur les synthèses sans Gd sont en cours pour compléter l'étude sur la structure et le mécanisme de formation des matériaux concernés. Dans l'ensemble, il s'agit de la première tentative d’application de la synthèse de l'oxysulfure de lanthanide pour synthétiser des oxysulfures de molybdène.


  • Résumé

    Today, in personal vehicles, fuel cells are competing with the Li-ion batteries to provide the next technological leap. Hence, replacing noble metal by non-noble metal catalysts is essential to make them affordable. Molybdenum can be a good candidate as some compounds (e.g. MoS2, MoO2) are showing activity for the Oxygen Reduction Reaction (ORR). Uncommon molybdenum oxysulfides could be used as electrodes for Li-ion batteries or catalysts thanks to their porous structure in amorphous forms (thin films and bulk powders). Their colloidal synthesis at low temperature, favoring the nanoscaled materials and bypassing the simple energy-consuming synthesis, is barely reported. The same goes for their ORR catalytic reactivity, which was almost never studied. Here, the well-known colloidal synthesis of lanthanide oxysulfides at low temperature (around 300 °C), producing nanoparticles such as Gd2O2S, is extended to the use of Mo molecular precursors. We studied two pathways: by a two-step protocol (adding the Mo precursor to freshly formed, unwashed Gd2O2S nanoplates) or a one-step protocol (adding simultaneously both metallic precursors). The structural analysis showed that the first method possibly leads to a deposition of isolated molybdate tetrahedrons on Gd2O2S nanoplates without changing their shape and size, while the latter one leads to a more sulfide-like environment of Mo. As observed, only molybdate-doped samples (at low dose) showed positive results in terms of electrochemical activity, which is found related directly to the Mo’s presence. Other explorative work on the syntheses without Gd is being pursued to complement the study on the structure and the formation mechanism of the interested materials. Overall, this is the first attempt to synthesize molybdenum oxysulfide by applying the synthesis method of lanthanide oxysulfide.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 08-10-2022

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