Nouveaux matériaux à base d'aérogels pour la production d'hydrogène vert par électrolyse de l'eau basse température (PEMWE)

New aerogel-based materials for the production of green hydrogen in low temperature water electrolysers (PEMWE)

• Auteur / Autrice : Like Zhang
• Direction : Christian Beauger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 02/11/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : PERSEE - Centre Procédés, Energies Renouvelables, Systèmes Energétiques
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (2015-2019)

Mots clés

Mots clés libres

Electrodes

Pemwe

Electrolyse

Matériaux nanostructurés

Oxydes métalliques

Dopage

Electrodes

Pemwe

Electrolysis

Nanostructured materials

Metal oxides

Doping

Résumé

* Contexte et enjeux Un des défis majeurs de l'électrolyse ' basse température ' (PEMWE) concerne les ressources du catalyseur utilisé pour favoriser la réaction d'oxydation de l'eau : l'iridium. Pour augmenter l'activité massique, la stratégie proposée dans ce travail est de ' nano-architecturer ' les matériaux anodiques en développant soit des aérogels d'oxyde d'Ir, soit des supports de catalyseur aérogel conducteurs et stables, en s'inspirant de ce qui a été développé dans le domain des piles à combustible. Nos travaux précédents ont mis en évidence l'intérêt d'utiliser les aérogels comme supports de catalyseur pour les piles à combustible à basse température (PEMFC) et l'électrolyse (PEMWE). Le travail proposé ici va de la synthèse de nouveaux matériaux aérogels pour l'électrolyse à leur évaluation en condition réelle de fonctionnement en monocellule. * Objectifs scientifiques - Synthèse de nouveaux aérogels et leur caractérisation (physico-chimique et électrochimique) ; - préparation d'anodes nano-architecturées à partir des matériaux aérogels obtenus - préparation et caractérisation d'AMEs en conditions réelles de fonctionnement (monocellule) ; - compréhension des phénomènes responsables des propriétés finales du support sur la base des relations structure-propriétés. * Approche – Méthodes Il conviendra d'optimiser, pour l'application visée, les protocoles de synthèse issus de nos travaux précédents. Les oxydes seront synthétisés par voie sol-gel. Les dopages seront réalisés lors de cette étape par ajout de précurseurs de l'élément dopant. Les gels seront séchés par voie supercritique (CO2). Les aérogels ainsi obtenus seront alors calcinés sous atmosphère contrôlée. Le dépôt de nanoparticules sera réalisé par différentes méthodes évaluées à l'aune de la taille des nanoparticules obtenues et de leur répartition à la surface du support. Les électrodes seront réalisées en adaptant les protocoles mis au point dans le cas des piles à combustible. A chaque étape du procédé, les matériaux seront caractérisés, afin de déterminer les phases en présence et la morphologie des particules (DRX, MEB, MET et sorption d'azote), le niveau, l'homogénéité et la qualité du dopage (XPS, EDX, conductivité électronique), la dispersion et la répartition des nanoparticules (DRX, MET) ainsi que l'activité électrocatalytique de l'électrocatalyseur (Voltamétrie cyclique, CO stripping). * Résultats attendus Cette étude permettra de développer des matériaux à base d'aérogel d'oxyde présentant des caractéristiques permettant de les utiliser comme matériaux d'électrode dans les électrolyseurs basse température (PEMWE). A terme, l'objectif visé est une augmentation de la densité de courant massique d'un facteur 5.

* Context and challenges One of the major challenges of 'low temperature' electrolysis (PEMWE) concerns the availability of the catalyst used to promote the oxidation reaction of water: iridium. To increase the mass activity, the strategy proposed in this work is to 'nano-architect' the anode materials by developing either Ir oxide aerogels or conductive and stable aerogel catalyst supports for IrOx, drawing inspiration from what has been developed in the context of fuel cells. Our previous works have highlighted the value of using aerogels as catalyst supports for low temperature fuel cells (PEMFC) and electrolysis (PEMWE). The work proposed here ranges from the synthesis of new aerogel materials for electrolysis to their evaluation in real operating condition in single cell. * Scientific objectives - Synthesis of new aerogels and their characterization (physico-chemical and electro-chemical); - preparation of nanoarchitectured anodes based on the obtained aerogel materials; - MEAs preparation and characterization in real operating conditions (single cell); - understanding of the phenomena responsible for the support final properties on the basis of the structure-properties relationships. * Methodology The synthesis protocols resulting from our previous work should be optimized for the foreseen application. The oxides will be synthesized by sol-gel route. The doping will be carried out during this step by adding precursors of the doping element. The gels will be supercritically dried (CO2). The aerogels thus obtained will then be calcined under a controlled atmosphere. The deposition of IrOx will be carried out by various methods evaluated in terms of the characteristic dimensions of the deposit. The electrodes will be realized by adapting the protocols developed in the case of fuel cells. At each stage of the process, the materials will be characterized, in order to determine the obtained phases and the morphology of the materials (XRD, XPS, SEM, TEM and nitrogen sorption), the level, the homogeneity and the quality of the doping (XPS, EDX, electron conductivity), dispersion and distribution of nanoparticles (XRD, TEM) as well as the electrocatalytic activity and durability of the electrocatalyst (polarization curve, cyclic voltammetry, accelerated stress test). * Expected results This study will make it possible to develop oxide aerogel-based materials with characteristics allowing them to be used as electrode materials in low temperature electrolysers (PEMWE). Ultimately, the target is an increase in mass current density by a factor of 5.