Développement d’électrocatalyseurs pour l’électroconversion sélective de la biomasse cellulosique en des synthons biosourcés dans un électrolyseur de co-production d’hydrogène

Development of electrocatalysts for the selective electroconversion of cellulosic biomass into biosourced synthons in a hydrogen co-production electrolyzer

• Auteur / Autrice : Amira Ben abderrahmane
• Direction : David Cornu, Yaovi Holade
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 28/11/2025
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IP2 - Interface, Physicochimie, Polymères IP2
• Jury : Président / Présidente : Philippe Trens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Cornu, Têko Napporn, Corinne Lagrost, Yaovi Holade, Sophie Tingry, Emmanuel Maisonhaute, Shelley Minteer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Têko Napporn, Corinne Lagrost

Mots clés

Mots clés libres

Électrocatalyse

Électrosynthèse

Hydrogène

Biomasse

Or

Nanomatériaux

Électrocatalysis

Electrosynthesis

Hydrogene

Biomass

Gold

Nanomaterials

Résumé

La transition vers une économie circulaire et bas-carbone impose de repenser à la fois la production d’hydrogène et la fabrication de molécules plateforme biosourcées. Une voie particulièrement prometteuse consiste à remplacer l’oxydation de l’eau à l’anode d’une cellule d’électrolyse par l’oxydation de glucose, ce qui permet d’abaisser la tension de cellule tout en co-produisant, à l’anode, des synthons biosourcés et à la cathode, de l’hydrogène vert. Le glucose se distingue par son abondance, son faible potentiel d’oxydation en milieu alcalin et les molécules plateforme qu’il est susceptible de générer. D’un point de vue thermodynamique, cette électrolyse abaisse considérablement la barrière énergétique, rendant le procédé moins énergivore qu’une électrolyse classique de l’eau. En pratique, le gain réel est conditionné par la cinétique et, notamment, par la conception des catalyseurs à l’anode. Cette thèse vise à développer des électrocatalyseurs à base de matériaux bimétalliques AgAu pour l’électrooxydation sélective du glucose en milieu alcalin. Deux approches de synthèse directement sur papier carbone ont été mises en œuvre : (i) l’électrodépôt pulsé conduisant à des particules d’Ag sphériques, monodisperses et bien ancrées ; (ii) la réaction de remplacement galvanique (GRR) de l’Ag métallique par l’Au(III), qui génère des architectures AgAu à composition et porosité ajustables. Les électrodes obtenues, ont été évaluées par voltampérométrie cyclique afin d’établir des corrélations structure–propriétés–performances vis-à-vis de l’électrooxydation du glucose en milieu alcalin. En explorant systématiquement l’influence des paramètres de synthèse (temps de GRR, concentration en précurseur aurique et taille des particules d’Ag), nous avons identifié les conditions optimales permettant d’exposer les sites actifs et ainsi d’abaisser le potentiel d’activation et accroître les densités de courant d’oxydation.

The transition toward a circular, low-carbon economy requires rethinking both hydrogen production and the manufacture of bio-based platform molecules. A particularly promising approach is to replace oxygen evolution reaction at the anode of an electrolyzer with glucose oxidation, thereby lowering the cell voltage while co-producing bio-based synthons at the anode and green hydrogen at the cathode. Glucose stands out for its abundance, its low oxidation potential in alkaline media, and the platform molecules it can yield. From a thermodynamic standpoint, this electrolysis significantly lowers the energy barrier, making the process less energy-intensive than conventional water electrolysis. In practice, the actual benefit is governed by kinetics and, in particular, by the design of the anode catalysts. This thesis aims to develop electrocatalysts based on bimetallic AgAu materials for the selective electrooxidation of glucose in alkaline media. Two synthesis approaches were implemented directly on carbon paper: (i) pulsed electrodeposition, yielding spherical, monodispersed, and well-anchored Ag particles ; and (ii) the galvanic replacement reaction (GRR) of metallic Ag with Au(III), which produces AgAu architectures with tunable composition and porosity. The resulting electrodes were evaluated by cyclic voltammetry to establish structure–property–performance correlations for glucose electrooxidation in alkaline media. By systematically exploring synthesis parameters (GRR time, gold precursor concentration, and Ag particles size), we identified optimal conditions for exposing active sites, thereby lowering the onset potential and increasing oxidation current densities.