Catalyse de la réaction d’évolution de l’oxygène pour le développement de dispositifs de réduction de CO2 économes en énergie

Oxygen evolution reaction catalysis for energy efficient CO2 reduction devices

• Auteur / Autrice : Adèle Peugeot
• Direction : Marc Fontecave
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 20/10/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie moléculaire de Paris Centre (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de chimie des processus biologiques (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Christel Laberty-Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Grimaud, Philip Llewellyn, Amandine Guiet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Maillard, Marie-Noëlle Collomb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrolyse

Oxydation

Métaux de transition

Photosynthèse artificielle

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Conversion du CO2

Électrolyse

Réaction d’évolution de l’oxygène

Catalyse

Matériaux poreux

Oxydes de métaux de transition

CO2 conversion

Electrolysis

Oxygen evolution reaction

Catalysis

Porous materials

Transition metal based catalysts

Résumé

Les émissions de CO2 provenant des activités humaines ne cessent d'augmenter, et entraînent des conséquences désastreuses sur nos écosystèmes et nos sociétés, il est donc urgent de les limiter. Dans cet immense défi auquel notre génération est confrontée, la nature est une source d'inspiration. Les organismes photosynthétiques convertissent le CO2, l'eau et l’énergie solaire en oxygène et en molécules organiques, qui stockent l'énergie sous forme de liaisons chimiques. Ainsi le procédé de photosynthèse artificielle permet de produire des carburants tout en valorisant le CO2. Un tel dispositif nécessite une source d'électricité renouvelable pour réaliser deux réactions : la réduction du CO2 en produits carbonés et l'oxydation de l'eau en oxygène (OER). Pour permettre une mise à l'échelle industrielle, ce procédé doit consommer un minimum d'énergie et n'impliquer que des matériaux peu coûteux et abondants. Ce travail porte sur le développement de catalyseurs d’OER à base de métaux de transition hautement actifs, stables et bon marché. Une analyse comparative des catalyseurs les plus actifs de la littérature a permis d'identifier les matériaux les plus prometteurs pour des applications industrielles. L'activité de ces anodes a été améliorée par modification de leur support. Deux procédures de synthèse simples ont été conçues, menant à de nouveaux catalyseurs composés de Ni et Fe et présentant des activités catalytiques très élevées. Des anodes actives ont été intégrées dans un électrolyseur pour la réduction du CO2. L'impact de plusieurs paramètres sur l'efficacité énergétique de l'électrolyseur a été évalué, ouvrant ainsi la voie au développement de dispositifs industriels.

CO2 emissions from human activities are increasing each year, leading to dire consequences for our ecosystems and societies, hence it is urgent to find solutions to reduce them. Nature is a great source of inspiration for this immense challenge that our generation is facing. Photosynthetic organisms convert CO2, water and sunlight into oxygen and organic molecules, storing energy in the form of chemical bonds. Artificial photosynthesis devices enable fuel production while using the main greenhouse gas on Earth as a feedstock. Such devices require a source of renewable electricity to carry out two reactions: the reduction of CO2 to carbonaceous products and the oxidation of water to oxygen. This process must consume a minimum amount of energy and involve only cheap and abundant materials to allow scale-up of the technology. In this work, we focused on the oxidation of water, also called the oxygen evolution reaction (OER). This reaction has very sluggish kinetics, therefore we targeted the development of highly active, stable, and cheap transition metal based OER catalysts. A benchmarking analysis was performed on some of the most active reported catalysts, identifying the most promising materials for industrial applications. We concentrated on improving the activity of these anodes by modifying their support. Two straightforward synthesis procedures were designed which led to new NiFe-based catalysts showing remarkable activities. We integrated highly active anodes in a CO2-reduction electrolyser and evaluated the impact of several parameters on the energy efficiency of the electrolyser, thus opening routes to the development of larger industrial devices.