Électrocatalyseurs potentiels pour l'électrolyse de l'eau - Challenges et opportunités de différentes familles de catalyseurs

Potential Electrocatalysts for Water Splitting Devices - A Journey Through the Opportunities and Challenges of Catalyst Classes

• Auteur / Autrice : Robin Dürr
• Direction : Bruno Jousselme, Leif Hammarström, Vladimir Atanasov, Antoni Llobet, Stéphanie Narbey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 12/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Uppsala universitet
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Ångström Laboratory (Uppsala, Suède ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Ally Aukauloo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christel Laberty-Robert, Ulrike Kramm, Kevin Sivula
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christel Laberty-Robert, Ulrike Kramm

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Conversion directe

Catalyse hétérogène

Électrolyseurs

Mots clés libres

Electrolyseur

Catalyseur HER

Catalyseur OER

Electrolyzer

HER catalyst

OER catalyst

Résumé

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de différentes classes de catalyseurs et de leur intégration comme électrodes de travail pour une cellule d'électrolyse. Les électrodes à base de complexes moléculaires de ruthénium fabriquées par sérigraphie (Article 2) présentent des activités et des stabilités élevées, à pH neutre, vis-à-vis de l'oxydation de l'eau. Les catalyseurs sous forme d'oligomères montrent des performances supérieures. La conductivité électronique de l'électrode est le facteur limitant de l'activité catalytique d'une telle anode moléculaire. De plus, le faible chargement en catalyseur impose des limitations supplémentaires pour atteindre des densités de courant élevées. L'étude de matériaux catalytiques, composés d'un Métal de transition, d'Azote et de Carbone (Article 3) montre que celui contenant du cobalt a la plus grande activité pour la production d'hydrogène en milieu acide tout en montrant une certaine stabilité. Cette dernière s'explique par la présence de sites atomiques uniques, au détriment de la formation de nanoparticules, obtenus par une méthode de synthèse sans solvant. Ce procédé présente donc une stratégie intéressante pour la synthèse à grande échelle. Cependant, l'augmentation du nombre de site catalytiques dans le matériau reste une difficulté à surmonter. Une méthode (Brevet I) de fabrication des assemblages membrane-électrode a aussi été mise en place. Elle permet le remplacement des membranes coûteuses couramment utilisées. Deux structures de Molybdate de Nickel ont été synthétisées (Article 1) pour fabriquer, après électro-activation, des nanoparticules de γ-NiOOH actif envers la production d'oxygène en pH alcalin. L'élimination du molybdène conduit à une surface électrochimique élevée avec un grand nombre de sites de nickel exposé et explique l'origine de l'activité catalytique élevée. La présence de Molybdène sert donc ici d'agent structurant et porogène. L'étude par spectroscopie Raman montre que le dépôt en forme de bâtonnets (mis en évidence par microscopie électronique) fabriqué sur une mousse de Nickel comporte aussi le signal de la structure en feuille après l'éviction du molybdène. La présence de cette structure s'explique par une couche intermédiaire entre l'électrode en mousse et les bâtonnets visibles par microscopie électronique. Cependant, les résultats semblent indiquer une activité plus élevée pour la structure en bâtonnets. Un résultat essentiel de cette étude est que lors de la synthèse d'une structure en bâtonnets de Molybdate de Nickel sur une électrode, l'absence de la structure en feuille doit être vérifiée. Les différences fondamentales (Article 4) entre les nanostructures ont été caractérisées plus en détail à l'aide de diverses techniques : MEB, DRX et Spectroscopie Raman. Bien que les structures cristallines des deux nanostructures ne soient pas encore totalement résolues, les analyses montrent clairement qu'il s'agit de deux matériaux différents avec leurs propriétés. En effet la structure hydratée en feuille présente une activité supérieure à celle déshydratée pour la production d'hydrogène en milieu alcalin. Il est clair qu'une étape de réduction préliminaire est nécessaire pour accéder à l'activité catalytique exceptionnelle rapportée. Parmi les différentes classes de catalyseurs étudiés, les catalyseurs à nanoparticules semblent être les plus prometteurs pour une intégration réussie dans une cellule d'électrolyse à grande échelle. L'utilisation généralisée de ce type de matériau pourra être envisagée une fois que la stabilité des catalyseurs et de la membrane échangeuse d'anions sera résolue.

In this thesis work, different classes of catalysts and their suitability for integration into an electrolyzer cell has been investigated. Ruthenium-based molecular catalysts in Paper II have shown high activities and stabilities towards water oxidation in neutral pH. Especially the oligomeric catalysts exhibited a superior performance. The electrical conductivity of the electrode was discovered as limiting factor on the catalytic activity of such a molecular anode. In addition, the low loading of catalyst might impose limitations on reaching high current densities at reasonable potentials. Among the tested transition metal single atom catalysts synthesized by pyrolyzing transition metal doped ZIF-8 structures in Paper III, cobalt has shown the highest activity towards hydrogen evolution and a stable behaviour in acidic pH. The enhanced stability of single atomic sites compared to the corresponding nanoparticles was proposed. Only a low number of nanoparticles was suggested to have been formed during the solvent free synthesis. Hence, this process might present an interesting strategy for the large-scale synthesis of single atom hydrogen evolution catalysts. However, also for this class of catalyst, the low number of active sites seems to present a difficulty, which has to be overcome. With the novel method presented in Patent I to fabricate a membrane electrode assembly, the usage of commonly used expensive membranes could possibly be avoided. Both as-prepared nickel molybdate hydrate nanoparticle shapes - sheets and rods - have been proposed in Paper I to transform in an electrochemical activation step into γ-NiOOH as active phase for the oxygen evolution reaction in alkaline pH. With the removal of molybdenum a large electrochemical surface area with an increased number of exposed nickel sites was indicated to be the origin behind the high catalytic activity of the nanoparticles. Molybdenum was suggested to only act as structure and pore forming agent. Even for the sample on nickel foam with only rods initially visible by electron microscopy, Raman bands of the sheet structure was observed after selective molybdenum leaching and could be traced back to the intermediate layer between the foam electrode and the nanorods. However, preliminary results indicate a higher activity for the rod structure. The nanosheet layer between the rods and the foam might be an interesting observation for further works concerning nanorods on the electrode and the attribution of the catalytic activity. An essential outcome and proposal of Paper I is that when synthesizing especially a nickel molybdate rod structure on an electrode, the absence of the sheet structure should be verified, which could be done by either selective molybdenum leaching combined with Raman spectroscopy or XRD, or by investigating the volume between rods and the electrode with SEM. With Paper IV the fundamental differences between the nanostructures were characterized with various techniques, indicating strongly that those are two different materials. For the hydrogen evolution reaction in alkaline media, the hydrate sheet structure exhibited a higher activity compared to the anhydrate, but clearly a reduction step is necessary to access the outstanding catalytic activity reported. Among all the investigated catalysts of different classes, the nanoparticle catalysts seem to be the most promising for a successful integration in a large scale electrolyzer cell for widespread use, especially, once the stability of the catalysts and the anion exchange membrane is resolved.