Développement d'électrodes imprimées en 3D pour la production massive d'hydrogène dans le cadre de l'électrolyse de liquides

Development of 3D printed electrodes for massive hydrogen production by electrolysisof liquids

• Auteur / Autrice : Jeoffrey Tourneur
• Direction : Bruno Fabre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 13/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Science de la Matière, des Molécules et Matériaux (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes - Institut des Sciences Chimiques de Rennes
• Jury : Président / Présidente : Ally Aukauloo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Fabre, Loïc Perrin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvie Chardon, Sophie Tingry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrocatalyse

Eau -- Électrolyse

Hydrogène vert

Impression 3D

Mots clés libres

Impression 3D

Hydrogène

Matériaux

Électrolyse de l’eau

Alliages

Électrocatalyse

3D Printing

Hydrogen

Materials

Water splitting

Alloys

Electrocatalysis

Résumé

Produire de l’hydrogène renouvelable (i.e. par électrolyse de l’eau) à un coût maîtrisé revêt un intérêt majeur à l’heure de la décarbonation des activités humaines. De nouvelles techniques de production de matériaux ont émergé pour les procédés énergétiques. L’impression 3D métallique se développe entre autres de plus en plus rapidement, et pourrait constituer une voie de fabrication d’électrolyseurs et d’électrodes sans métaux rares, en milieu alcalin. De plus, ce procédé permet la production de nouvelles géométries d’électrodes et de nouveaux alliages. Dans un premier temps, nous avons sélectionné des métaux de transition en vertu de leurs performances électrocatalytiques vis-à-vis de l’HER (Hydrogen Evolution Reaction) et de l’OER (Oxygen Evolution Reaction) à partir d’analyses de feuillets métalliques. Dans un second temps, nous avons produit des électrodes cylindriques imprimées en 3D, à une échelle de 25 cm2. Ces électrodes à base de Ni étaient couvertes de motifs micrométriques, et alliées avec du Co, Fe, Cr et Mo. A partir d’analyses électrochimiques (paramètres électrocatalytiques, électrolyses à courant contrôlé, rendements Faradiques, dynamique de bulles) et de caractérisations post-électrolyse (microscopie électronique, profilométrie et angles de contact), nous avons sélectionné les meilleures électrodes pour des électrolyses en cellule complète. Nous avons finalement démontré la compétitivité du procédé d’impression 3D pour concevoir des cathodes efficaces et des anodes durables dans le cadre de l’électrolyse de liquides.

Producing renewable hydrogen (e.g. water electrolysis) at a controlled cost is of major interest at a time of decarbonization of energy production. New materials production techniques have emerged for energy processes. Metal 3D Printing is developing more and more rapidly and could constitute a way of manufacturing electrolysers and electrodes without rare metals, in an alkaline medium. Moreover, this process allows the production of new electrolyser designs, new electrode geometries, and new alloys. First, we have selected transition metals depending on their electrocatalytic activity performance for HER (Hydrogen Evolution Reaction) and OER (Oxygen Evolution Reaction) from studies on metal sheets. In a second step, we have prepared 25 cm2 cylindrical 3D printed electrodes. These electrodes were covered by micropatterns, and different Ni-based binary alloys with (Co, Fe, Cr and Mo) were tested. Based on electrochemical studies (controlled current electrolytic tests, Faradaic yields, bubble dynamics, and post-electrolysis characterizations (electronic microscopy, profilometry and contact angle measurements), we have selected the best electrodes for complete electrolysis cell. We finally have demonstrated the competitiveness of the 3D printing method to design efficient cathodes and durable anodes for the electrolysis of liquids.