Nouvelles stratégies d’élaboration de matériaux poreux à base d’iridium pour la réaction de dégagement de dioxygène

New strategies for the elaboration of porous materials based on iridium towards the oxygen evolution reaction

• Auteur / Autrice : Marine Elmaalouf
• Direction : Jean-Yves Piquemal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, énergie, nanosciences, surfaces
• Date : Soutenance le 31/01/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interfaces, traitements, organisation et dynamique des systèmes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Viau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Viau, Sara Cavaliere-Jaricot, Guylène Costentin, Frédéric Maillard, Jennifer Peron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sara Cavaliere-Jaricot, Guylène Costentin
• DOI : 10.70675/f910be98za8f4z42ebz90efz7b4cc6609162

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Électrolyse

Génération d'hydrogène

Iridium

Nanoparticules

Énergies renouvelables

Mots clés libres

Électrolyse de l’eau

Oxyde d’iridium

Réaction d’évolution de l’oxygène

Nanomatériaux

Water electrolysis

Iridium oxide

Oxygen evolution reaction

Nanomaterials

Résumé

La préservation de l’environnement et les besoins énergétiques croissants nécessitent le développement rapide d’alternatives aux énergies fossiles. Dans ce contexte, le dihydrogène est considéré comme le vecteur énergétique du futur. L’électrolyse de l’eau est une des voies les plus prometteuses pour produire de « l’hydrogène vert ». Parmi les défis à relever dans les technologies d’électrolyse, un enjeu important est la diminution de la charge en métaux nobles dans les couches catalytiques, et notamment de l’iridium dans les anodes des électrolyseurs à membrane échangeuse de proton (PEM). L’oxyde d’iridium est le seul catalyseur stable et actif dans les conditions anodiques d’un électrolyseur PEM, cependant, Ir est un élément rare et cher et son utilisation impacte le coût du système. Outre la diminution du coût d’investissement, augmenter l’activité catalytique des catalyseurs anodiques permettrait également de limiter la surtension de la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) et de directement diminuer le coût de production de H2. L’objectif de ces travaux de thèse est de réduire la quantité d’iridium nécessaire dans les électrolyseurs tout en maintenant leurs performances. Pour cela, des oxydes à base d’iridium, à structure hiérarchique hautement poreuse, ont été synthétisés par processus aérosol et par voie colloïdale. Dans le cas des matériaux à base d’iridium-molybdène, nous avons montré que la présence de petites particules cristallisées pourrait expliquer l’activité vis-à-vis de l’OER des oxydes d’iridium calcinés à basse température. La combinaison d’études ex situ et in situ nous a permis de proposer un mécanisme pour la formation de nanocages d’oxyde d’iridium à partir de cubes d’oxyde cuivreux. Dans les deux cas, ces études ont permis une meilleure compréhension des mécanismes de formation et des relations structures-propriétés catalytiques des matériaux à base d’oxyde d’iridium.

Environmental concerns and increase in energy consumption require to develop alternatives to fossil fuels. In this regard, the dihydrogen is considered as the energy vector of the future. Water electrolysis is a promising technology to produce “green hydrogen”. However, decreasing the amount of noble metal needed for catalytic reactions, and particularly the iridium content in proton exchange membrane water electrolyzers, remains a critical challenge to address to allow for large scale development of this technology. Despite its unique and great stability and activity in anodic conditions, and because Ir is rare and expensive, iridium oxide strongly impacts the cost of electrolyzers. Besides decreasing the cost of the technology by lowering Ir loadings, developing catalysts with higher catalytic activity would limit the overpotential for the oxygen evolution reaction (OER) and drastically diminish H2 production cost. The objective of this work is then to decrease the iridium loading in PEM electrolyzers while maintaining their performance. To do so, iridium oxide based catalysts with a hierarchically porous structure have been synthesized by aerosol process and colloidal synthesis. In the case of iridium-molybdenum based catalysts, we have shown that small crystallized particles are responsible for the high activity toward the OER of iridium oxides calcined at low temperature. Combining in situ and ex situ studies has allowed us to propose a mechanism for the formation of iridium oxide nanocages from a copper oxide template. In general, this work provides a better understanding of the formation mechanisms and the structure-catalytic properties relationship of iridium based materials.