Catalyseurs Fe-N-C pour la réaction électrocatalytique de réduction de l'oxygène

Fe-N-C catalysts toward electrocatalytic oxygen reduction reaction

• Auteur / Autrice : Xiong Zhang
• Direction : Cuong Pham-Huu, Sergey Pronkin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 13/05/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Bégin-Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Katia Guerin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Timo Jacob, Enrique Garcia-Bordejé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sites actifs (biochimie)

Oxydoréduction

Mots clés libres

Fe-N-C

ORR

Sites actifs

Corrélation structure-performance

Fe-N-C

ORR

Active sites

Structure-performance correlation

Résumé

L'électrocatalyseur Fe-N-C est en train de devenir un sujet de recherche stimulant avec de grands espoirs pour les dispositifs énergétiques de la prochaine génération en raison de sa haute activité intrinsèque ORR comparable à celle de l'électrocatalyseur des métaux du groupe du platine (PGM). Cependant, une stratégie de préparation très efficace avec une performance catalytique améliorée et une grande robustesse, employant des composants non critiques, est d'une grande importance pour le développement de l'électrocatalyseur Fe-N-C. L'identification de la nature du site actif pour le matériau Fe-N-C pyrolytique est toujours un sujet de débat animé en raison de la présence potentielle de sites actifs multiples.Dans ce travail, nous avons développé des catalyseurs avec des atomes uniques de Fe décorés de N dans du carbone poreux par pyrolyse à haute température en utilisant des composants bruts rentables et non toxiques. La variation systématique de la composition des précurseurs N, et C et de divers agents structurants, ainsi que les conditions des différentes étapes nous ont permis de déterminer les paramètres optimaux pour une synthèse en plusieurs étapes. Diverses technologies caractéristiques, notamment TGA/TPD-MS, Raman, BET, XRD, XPS, HAADF-STEM et XAS ont été appliquées pour étudier la composition et la structure des catalyseurs Fe-N-C synthétisés. Les performances électrocatalytiques des catalyseurs ont été étudiées par des mesures de (R)RDE et des tests de durabilité accélérés. Cette étude nous a permis de démontrer que les électrocatalyseurs Fe-N-C avec une structure et une composition optimisées offrent des performances stables d'électroréduction de l'oxygène 4e- dans un électrolyte KOH 0.1 M avec une activité supérieure à celle des catalyseurs de référence 20% Pt/C. Plus important encore, la nature des sites actifs et la corrélation structure-performance des électrocatalyseurs tels qu'ils sont obtenus sont systématiquement étudiées. Ce travail vise à fournir une compréhension fondamentale du catalyseur Fe-N-C, à la fois du point de vue de la conception du matériau et de la nature des sites actifs, ce qui devrait favoriser le développement de la prochaine génération d'électrocatalyseurs pour la technologie des piles à combustible.

Fe-N-C electrocatalyst is becoming a challenging research topic with great expectations for the next-generation energy devices due to its high intrinsic ORR activity comparable to platinum group metals (PGM) electrocatalyst. However, a high effective preparation strategy with improved catalytic performance and high robustness, employing noncritical components is of great importance for the development of Fe-N-C electrocatalyst, and the identification nature of active site for pyrolytic Fe-N-C material is still a topic of heated debate due to potential presence of multiple active sites.In this work we developed catalysts with N-decorated single atom Fe catalysts in porous carbon by high temperature pyrolysis using cost-effective, non-toxic raw components. Systematic variation of composition of N, and C precursors and various structuring agents, as well as conditions of different steps allowed us to determine the optimal parameters for a multi-step synthesis. Various characteristic technologies, including TGA/TPD-MS, Raman, BET, XRD, XPS, HAADF-STEM and XAS have been applied to study the composition and structure of synthesized Fe-N-C catalysts. The electrocatalytic performance of the catalysts were studied by (R)RDE measurements and accelerated durability tests. This study allowed us to demonstrate that Fe-N-C electrocatalysts with optimized structure and composition provide stable 4e- oxygen electroreduction performance in 0.1 M KOH electrolyte with activity outperforming benchmark 20% Pt/C catalysts. Most importantly, the nature of active sites and structure-performance correlation of as-obtained electrocatalysts are systematically investigated. The work aims to provide fundamental understanding of Fe-N-C catalyst from both material design and natura of active sites which is believed to favor the development of next generation electrocatalyst for fuel cell technology.