Electrode poreuse Bio-inspiree fonctionnalisée par des complexes moléculaires pour la réduction catalytique du dioxyde de carbone

Porous Bio-inspired Electrode Functionalised with Molecular Complexes for Catalytic Carbon Dioxide Reduction

• Auteur / Autrice : Domenico Grammatico
• Direction : Laurent Billon, Bao-Lian Su
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Université de Namur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (IPREM UMR 5254) - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Garcia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage cellulaire

Énergie solaire -- Recherche

Mots clés libres

Matériel hiérarchique

Support carboné

MOF

Liquides poly-ioniques

Électroréduction du CO2

Hétérogène

Électrocatalyse

Hierarchical material

Carbon support

MOF

Poly-ionic liquids

CO2 electroreduction

Heterogenous

Electrocatalysis

Résumé

Au cours des dernières décennies, le réchauffement de la planète, dû principalement aux sources d'énergies fossiles et à l'augmentation de la demande d'énergie, a fait naître un besoin urgent de développer des énergies nouvelles, "propres" et durables. L'une des voies les plus prometteuses est le stockage de l'énergie solaire dans des liaisons chimiques. Dans ce contexte, la voie de l'électroréduction du CO2 en produits à haute valeur ajoutée utilisant l'énergie solaire a reçu une attention croissante de la part de la communauté scientifique. Cette recherche est menée dans le cadre du projet European School on Artificial Leaves - Electrodes & Devices (eSCALED) dans le cadre de la réduction électrochimique du CO2, impliquant la conception d'un électrocatalyseur qui peut réduire efficacement le CO2 en produits chimiques précieux comme matière première en s'inspirant de la photosynthèse naturelle. Dans la littérature, l'hétérogénéisation de complexes moléculaires dans des supports conducteurs a, récemment, attiré l'attention en raison de leur efficacité, de leur stabilité et de leur amélioration en phase hétérogène. Cependant, le transfert de masse reste l'un des principaux problèmes et défi à surmonter, avec la sélectivité en milieu aqueux et l'utilisation d'éléments abondants dans la terre.Différents matériaux poreux hiérarchiques bio-inspirés sont développés et leur capacité à accueillir et à régler l'activité de complexes moléculaires est discutée.La réduction électro et photocatalytique du CO2 sera également évaluée. Le matériau de carbone poreux hiérarchique dérivé d'un cadre métallo-organique chargé de [Re(bpy)(CO)3Cl montre une quantité élevée de complexe chargé par rapport aux rapports précédents. Une densité de courant élevée est également atteinte, montrant une sélectivité réglable basée sur le potentiel appliqué pour l'électroréduction du CO2 en CO et HCOOH dans un électrolyte H2O/liquides ioniques à 5 v/v %.Pour améliorer l'efficacité en milieu aqueux, un liquide poly-ionique à l'état solide (PIL) sera décrit comme une couche superposée à l'électrode décrite précédemment. Les PILs améliorent la sélectivité pour le CO avec une plus grande quantité d'eau présente dans les électrolytes. La même stratégie sera décrite en utilisant un microgel en réseau 3D contenant des fragments d'imidazolium.Enfin, l'analyse du cycle de vie (LCA) concernant la réduction du CO2 est évaluée pour déterminer l'impact environnemental.

In the last few decades, global warming, mostly coming from fossil sources and the increased energy demand, brings us to an urgent need to develop novel, “clean”, and sustainable energies. One of the most promising ways is the storage of solar energy into chemical bonds. In this context, the route of the electroreduction of CO2 into high-added-value products using solar energy has received increasing attention from the scientific community. This research is carried out within the European School on Artificial Leaves – Electrodes & Devices (eSCALED) project in the frame of the electrochemical reduction of CO2, involving the design of electrocatalyst that can efficiently reduce CO2 to valuable chemicals as feedstock by taking inspiration from natural photosynthesis. In the literature, the heterogenisation of molecular complexes into conductive supports has lately attracted attention because of their efficiency, stability and improvement in the heterogeneous phase. However, mass transfer is still one of the main issues and challenges to overcome, along with selectivity in aqueous media and the use of earth-abundant elements.Different bio-inspired hierarchical porous materials are developed and their ability to host and tune the activity of molecular complexes discussed.The electro and photocatalytic CO2 reduction will also be assessed. The hierarchical porous carbon material derived from a metal-organic framework loaded with [Re(bpy)(CO)3Cl shows a high amount of complex loaded if compared to previous reports. High current density is also achieved, showing tuneable selectivity based on the potential applied for CO2 electroreduction to CO and HCOOH in 5 v/v % H2O/Ionic liquids electrolyte.To improve the efficiency in water media, a solid-state poly-ionic liquids (PILs) will be described as a stacked layer to the previously described electrode. The PILs improve selectivity for CO with a higher amount of water present in the electrolytes. The same strategy will be described using a 3D network microgel containing imidazolium moieties.Finally, the Life-cycle assessment (LCA) of the CO2 reduction part is evaluated to determine the environmental impact.