Étude de la chimie de surface des électrodes SOEC lors de l'électrolyse H2O à haute température

Surface chemistry study on the SOEC electrodes during high-temperature H2O electrolysis

• Auteur / Autrice : Jinming Zhang
• Direction : Spyridon Zafeiratos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 12/12/2024
• 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 : Elena R. Savinova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathias Barreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Laurencin, Nicolas Bion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électricité -- Production par réaction chimique

Piles à combustible à oxyde solide

Électrochimie

Mots clés libres

SOECs

Ni/YSZ

NAP-XPS

Modification des nanoparticules

LSCF

SOECs

Ni/YSZ

NAP-XPS

Nanoparticle Modification

LSCF

Résumé

Cette thèse se concentre sur les performances électrochimiques et la chimie de surface des cellules d'électrolyse à oxyde solide avancées (SOEC), avec une attention particulière sur le comportement des électrodes Ni/YSZ lors de l'électrolyse de l'eau. Les SOEC présentent un potentiel considérable pour la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau et le stockage d'énergie, tandis que les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) utilisent l'hydrogène pour la production d'électricité. Compte tenu de l'efficacité économique, de la compatibilité thermique et de la haute conductivité des composites à base de nickel, largement utilisés dans les applications industrielles, cette recherche se concentre sur l'amélioration de ces matériaux grâce à la modification de surface. À l'aide de la spectroscopie de photoélectrons par rayons X à pression quasi ambiante (NAP-XPS), l'interaction entre les électrodes Ni/YSZ et la vapeur d'eau a été étudiée dans des conditions de circuit ouvert et de polarisation. Des modifications ont été apportées aux cathodes poreuses traditionnelles en Ni/YSZ afin d'observer directement les zones fonctionnelles proches de l'électrolyte YSZ. Les résultats ont révélé des changements dynamiques dans les états d'oxydation et la composition du Ni/YSZ dans des atmosphères de H2 et de H2O. En outre, cette étude met en lumière l'impact de l'oxydation des électrodes sur la dégradation pendant l'électrolyse et souligne la relation entre l'état d'oxydation de la surface du nickel et les performances électrochimiques de la cellule. Des nanoparticules (NP) à base de cérium ont été introduites pour modifier la surface des électrodes Ni/YSZ. Deux types de NP — le cérium dopé au nickel (NiCeOx) et le cérium non dopé (CeOy) — ont été synthétisés et utilisés pour imprégner des électrodes métalliques Ni/YSZ préfabriquées. L'étude comparative a montré que le NiCeOx présentait des performances supérieures en raison d'une meilleure dispersion et d'une taille de particules plus réduite. Les résultats obtenus par synchrotron ont également révélé que le dopage au nickel modifiait les propriétés rédox du cérium, conduisant à une réduction plus forte de Ni/YSZ par rapport à CeOy, ce qui a augmenté le nombre de sites actifs et amélioré l'efficacité de l'électrolyse. De plus, des essais expérimentaux impliquant des nanoparticules de cérium dopé au vanadium et au cobalt ont été présentés, bien que les améliorations de performances aient été limitées. Enfin, les surface des électrodes La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) ont été étudiés, en se concentrant sur la ségrégation du Sr. L'étude a également examiné le Pr6O11 en tant que catalyseur électrochimique alternatif pour les applications SOEC, démontrant son potentiel. En somme, cette recherche souligne l'impact significatif des modifications de surface des nanoparticules sur les performances électrochimiques des électrodes dans l'électrolyse de l'eau, révélant des améliorations notables en termes d'efficacité et de stabilité. La combinaison d'une conception innovante des matériaux et de techniques de caractérisation avancées offre des perspectives précieuses pour le développement de solutions énergétiques durables.

This thesis focuses on the electrochemical performance and surface chemistry of advanced Solid Oxide Electrolysis Cells (SOECs), with particular emphasis on the behavior of Ni/YSZ electrodes in water electrolysis. SOECs hold significant potential for hydrogen production through water electrolysis and energy storage, while Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) use hydrogen for power generation. Given the cost-effectiveness, thermal compatibility, and high conductivity of nickel-based composites, widely used in industrial applications, this research concentrates on improving these materials through surface modification. Using Near Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy (NAP-XPS), the interaction between Ni/YSZ electrodes and water vapor under both open-circuit and polarization conditions was investigated. Modifications to traditional porous Ni/YSZ cathodes were made to directly observe the functional electrode areas near the YSZ electrolyte. Results revealed dynamic changes in the oxidation states and composition of Ni/YSZ in H2 and H2O atmospheres. Additionally, the study emphasizes the impact of electrode oxidation on degradation during electrolysis and highlights the relationship between the nickel surface oxidation state and the cell’s electrochemical performance. Cerium-based nanoparticles (NPs) were introduced to modify the surface of Ni/YSZ electrodes. Two types of NPs—Ni-doped ceria (NiCeOx) and undoped ceria (CeOy)—were synthesized and used to impregnate pre-fabricated Ni/YSZ cermet electrodes. The comparative study demonstrated that NiCeOx exhibited superior performance due to enhanced dispersion and reduced particle size. Synchrotron results further showed that Ni doping altered the redox properties of ceria, leading to stronger reduction of Ni/YSZ compared to CeOy, which increased the number of active sites and improved electrolysis efficiency. Additionally, the thesis presents experimental trials involving vanadium and cobalt-doped ceria nanoparticles, although their performance enhancements were limited. Finaly the surface state of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) electrodes were explored, focusing on Sr segregation. The study also examined Pr6O11 as a potential alternative electrocatalyst for SOEC applications. Overall, the research highlights the significant impact of nanoparticle surface modifications on the electrochemical performance of electrodes in water electrolysis, revealing substantial improvements in both efficiency and stability. The combination of innovative material design and advanced characterization techniques offers valuable insights for the future of sustainable energy solutions.