Approche théorique et expérimentale pour la conception de nouveaux catalyseurs à base de CeO2 pour l'anode des piles à combustible

by Thomas Desaunay

Doctoral thesis in Chimie Physique et Chimie Analytique

Under the supervision of Carlo Adamo and Michel Cassir.

defended on 2012

in Paris 6 .

Alternative Title

Theoretical and experimental approach for the conception of new CeO2-based catalysts at the anode of SOFCs

Abstract

Design of new materials for solid oxide fuel cells (SOFCs) is required in order to address the current challenges: lowering of the working temperature, use of none precious metals, fuel flexibility or resistance to deterioration. For these purposes, an approach combining experiments and theory was conducted in order to characterize the fundamental properties of cerium oxide. This material has shown good performances as an electrocatalytic catalyst at the anode of SOFCs. It was processed in the form of thin layers, dense, conformal to the substrates and showing an excellent crystalline quality by atomic layer deposition (ALD), as well as by cost-effective methods such as chemical bath deposition (CBD). Moreover, nanoparticles of cerium oxide exposing well-defined surfaces were synthesized in order to enable a fundamental study of these surfaces. Experimental and theoretical chemistry data shown that the (111) surface is the most stable, while the reactivity of the surfaces toward hydrogen oxidation shows the order (100) > (110) > (111). These results pave the way to the design of shape-controlled catalysts for SOFC anode

keywords

• Piles à combustible à oxyde solide
• Oxydes de cérium
• Hydrogène

Abstract

La conception de nouveaux matériaux pour les piles à combustible à oxydes solides (SOFCs) est nécessaire afin de répondre aux enjeux actuels : abaissement de la température de fonctionnement, utilisation de métaux non précieux, flexibilité d’utilisation du carburant ou encore résistance à la dégradation. A ces fins, une double approche expérimentale et théorique a été menée afin de caractériser les propriétés fondamentales de l’oxyde de cérium. Ce matériau a démontré de bonnes performances en tant qu’espèce électrochimiquement active à l’anode des SOFCs. Il a été synthétisé en couches minces denses, conformes aux substrats et présentant une excellente qualité cristalline par dépôt en couches atomiques (ALD), ainsi que par des méthodes bas-coût en bain chimique (CBD). Des nanoparticules d’oxyde de cérium présentant des états de surfaces bien définis ont également été synthétisées afin de permettre une étude fondamentale des surfaces. Les données expérimentales et de chimique théorique ont permis de déterminer que la surface (111) était la plus stable, tandis que la réactivité des surfaces vis-à-vis de la réaction d’oxydation de l’hydrogène suivait l’ordre (100) > (110) > (111). Ces résultats ouvrent la voie vers la conception de catalyseurs aux états de surface contrôlés pour l’anode des SOFCs