Borures et borophosphures à l'échelle nanométrique : synthèse en phase liquide et propriétés électrocatalytiques de dissociation de l'eau

Borides and borophosphides at the nanoscale : liquid-phase synthesis and electrocatalytic water splitting properties

• Auteur / Autrice : Edouard de Rolland Dalon
• Direction : David Portehault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Mona Tréguer-Delapierre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Houria Kabbour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Parola, Simon Tricard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissociation (chimie)

Phosphures

Borures

Métaux de transition

Électrocatalyse

Sels fondus

Synthèse (chimie)

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanomatériaux

Sels fondus

Bore

Phosphore

Électrocatalyse

Hydrogène

Nanoscale

Molten salts

Boron

Phosphorous

Electrocatalysis

Hydrogen

Résumé

Les borures et phosphures de métaux de transition présentent des propriétés intéressantes en électrocatalyse pour la production de dihydrogène. Dans ces matériaux, l’élément du bloc p modifie la densité électronique des atomes métalliques, ce qui rend non seulement ces matériaux résistants à l’oxydation et à la corrosion, mais modifie aussi les propriétés catalytiques. Le développement de catalyseurs requiert la conception d’objets de rapport surface/volume élevé, donc à l’échelle nanométrique. Il est alors essentiel de développer des voies de synthèse adaptées à l’obtention de ces matériaux et à la recherche de nouveaux composés. Notamment la combinaison du bore avec du phosphore et/ou un ou plusieurs métaux de transition au sein d'un même composé pourrait engendrer des modifications profondes, notamment de la densité électronique des sites métalliques et de la géométrie des sites de surface en raison de la formation de structures cristallines spécifiques, contraintes par la présence de liaisons covalentes. Au vu des propriétés des phases binaires, l’ensemble des modifications en termes de morphologie, géométrie et composition permet d’envisager un contrôle de la réactivité et des propriétés (électro)catalytiques. Ce travail de thèse a ainsi porté sur le développement de borures et borophosphures de métaux de transition avec pour objectifs un contrôle morphologique à l'échelle nanométrique, le développement de nouveaux composés, y compris métastables, et la caractérisation de leurs propriétés électrocatalytiques. Les approches de synthèse choisies reposent sur deux piliers. D’abord les sels fondus, qui permettent de réaliser des synthèses à l'état liquide et à des températures intermédiaires entre celles de la chimie du solide et celles des voies colloïdales. Ainsi, les milieux réactionnels sont homogènes, permettent une réactivité accrue entre précurseurs solubles ou dispersés, et limitent la coalescence des particules. L’autre pilier est l'utilisation de nanoparticules métalliques comme nanoréacteurs dans lesquels le bore et/ou le phosphore sont incorporés, de façon à maintenir la morphologie des particules. Nous obtenons ainsi des nanomatériaux de phases pures dans le cas des borures de nickel et de fer, avec un contrôle de la composition et de la morphologie jamais obtenu auparavant. Ce contrôle n’a pu être atteint qu’en comprenant les mécanismes de formation des composés et nano-objets correspondant. Cette compréhension a pu être obtenue en développant le suivi in situ des synthèses grâce à la diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron. Nous avons ainsi pu mettre en évidence des intermédiaires réactionnels sous forme de nanoparticules amorphes, dont la nature a été élucidée grâce à la diffusion totale des rayons X couplée à la fonction de distribution de paires. Par extension, cette voie particulière de synthèse permet aussi la recherche de phases rares ou jamais reportées et pouvant présenter une importante activité électrocatalytique pour la dissociation de l'eau. Le choix des domaines de composition d'intérêt, guidé par l’apprentissage automatique pour la minimisation des énergies de formation, a ainsi permis de réaliser la synthèse de nanoparticules d’un borure bimétallique de nickel et cobalt bore. Nous avons aussi progressé dans l'étude de nouvelles voies de synthèse de phases ternaires borophosphures de nickel, rares et difficilement atteignables. Enfin, nous avons abordé l’exploration d'une voie de synthèse de nanoparticules métalliques exemptes de ligands organiques de surface, afin d'éviter des réactions secondaires ou des mécanismes compétitifs de diffusion au sein des métaux à partir des ligands, lors des synthèses en sels fondus. En nous basant sur des travaux démontrant la stabilité colloïdale de nanomatériaux dans des sels fondus, nous décrivons une méthode rapide et simple de synthèse de nanoparticules métalliques basés sur les sels fondus avec le nickel comme cas d'étude.

Transition metal borides and phosphides present interesting properties in electrocatalysis for the production of dihydrogen. In these materials, the p-block element modifies the electron density of the metal atoms, which not only makes these materials resistant to oxidation and corrosion, but also modifies the catalytic properties. The development of catalysts requires the design of objects with a high surface/volume ratio, i.e. at the nanoscale. It is therefore essential to develop synthesis routes adapted to obtaining these materials and to the search for new compounds. In particular, combining boron with phosphorus and/or one or more transition metals in the same compound could lead to profound changes, notably in the electron density of the metal sites and the geometry of surface sites, due to the formation of specific crystalline structures constrained by the presence of covalent bonds. In view of the properties of the binary phases, all the modifications in terms of morphology, geometry and composition make it possible to control the reactivity and (electro)catalytic properties. This thesis work focused on the development of transition metal borides and borophosphides, with the objectives of morphological control on the nanometric scale, the development of new compounds, including metastable ones, and the characterisation of their electrocatalytic properties. The synthesis approaches chosen are based on two pillars. Firstly, molten salts, which enable synthesis to be carried out in the liquid state and at temperatures intermediate between those of solid-state chemistry and those of colloidal routes. Thus, the reaction media are homogeneous, enabling greater reactivity between soluble or dispersed precursors, and limiting the coalescence of particles. The other pillar is the use of metallic nanoparticles as nanoreactors in which boron and/or phosphorus are incorporated, so as to maintain the morphology of the particles. In this way, we obtain pure-phase nanomaterials in the case of nickel and iron borides, with a degree of control over composition and morphology that has never been achieved before. This control could only be achieved by understanding the formation mechanisms of the corresponding compounds and nano-objects. This understanding was achieved by developing in situ monitoring of the syntheses using X-ray diffraction under synchrotron radiation. We were thus able to identify reaction intermediates in the form of amorphous nanoparticles, the nature of which was elucidated using total X-ray scattering coupled with the pair distribution function. By extension, this particular synthesis route also enables us to search for rare or never reported phases that may exhibit significant electrocatalytic activity for the dissociation of water. The choice of compositional domains of interest, guided by machine learning to minimise formation energies, led to the synthesis of nanoparticles of a bimetallic boride of nickel and cobalt boron. We have also made progress in studying new synthesis routes for nickel borophosphide ternary phases, which are rare and difficult to obtain. Finally, we explored a route for synthesising metal nanoparticles without organic surface ligands, in order to avoid secondary reactions or competitive diffusion mechanisms within the metals from the ligands during molten salt synthesis. Based on work demonstrating the colloidal stability of nanomaterials in molten salts, we describe a rapid and simple method for synthesising metal nanoparticles based on molten salts using nickel as a case study.