Optimisation de la microstructure de la cathode pour l'électrolyse du CO2 à haute température

Optimization of the cathode microstructure for high-temperature CO2 electrolysis

• Auteur / Autrice : Kaisse Hamada
• Direction : Cécile Rossignol, Nicolas Sergent
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : EC - Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces.

Mots clés

Mots clés libres

Soec

Co2

Matériaux

Électrochimie

Soec

Co2

Electrchemestry

Materials

Résumé

La conversion électrochimique du CO2 en carburants ou en produits chimiques à faible teneur en carbone à l'aide d'électricité propre a été reconnue comme le moyen efficace et durable de réduire notre empreinte carbone et de contrôler le réchauffement de la planète. Parmi les différentes technologies de conversion du CO2, les cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) ont été identifiées comme l'un des dispositifs les plus prometteurs pour l'électrolyse directe du CO2 en CO avec un rendement élevé. Le composant le plus critique dans une SOEC est la cathode où a lieu l'électroréduction du CO2. Les matériaux cathodiques doivent avoir une microstructure poreuse (chemin pour la diffusion des gaz), une conductivité électronique élevée (pour fournir des électrons pour la réaction de réduction du CO2), et une conductivité ionique (pour transporter les ions oxygène de la cathode vers l'électrolyte), une excellente activité catalytique pour la réduction du CO2 et la prévention de la formation de carbone. Le développement de matériaux et d'architectures des cathodes présentant une activité électrocatalytique élevée et une stabilité à long terme pour l'électroréduction du CO2 à haute température (800°C) reste un défi pour les SOEC. L'objectif de cette thèse vise à corréler les performances électrochimiques d'une cellule SOEC avec l'optimisation de la microstructure et de l'architecture de la cathode (épaisseur, porosité, tortuosité…) afin d'améliorer le transport de la phase gazeuse. Les mécanismes réactionnels, la stabilité, les propriétés d'oxydo-réduction et le vieillissement des matériaux de cathode seront étudiés par des méthodes électrochimiques (spectroscopie d'impédance électrochimique, voltammétrie cyclique) couplées à des méthodes de caractérisation structurale (Diffraction des Rayons X et spectroscopies IR et Raman in situ et operando) et morphologique (Microscopie Électronique à Balayage).

The electrochemical conversion of CO2 into fuels or low-carbon chemicals using clean electricity has been recognized as an effective and sustainable way to reduce greenhouse gas emissions. Among the different CO2 conversion technologies, Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) have been identified as one of the most promising devices for the direct electrolysis of CO2 to CO with high efficiency. The most critical component in a SOEC is the cathode material. The cathode materials must have a porous microstructure to promote gas diffusion,- high electronic conductivity to provide electrons for CO2 reduction, high ionic conductivity to transport oxygen ions from the cathode to the electrolyte and excellent catalytic activity for CO2 reduction and prevention of carbon formation. The development of cathode materials and architectures with high electrocatalytic activity and long-term stability for the electroreduction of CO2 at high temperatures (700-850°C) remains a challenge for SOECs. The objective of this thesis is to correlate the electrochemical performance of a SOEC cell with the optimization of the cathode microstructure (thickness, porosity, tortuosity...) in order to improve the gas phase transport. The reaction mechanisms, stability, redox properties and ageing of cathode materials will be studied using electrochemical methods (electrochemical impedance spectroscopy, cyclic voltammetry) coupled with structural characterization (X-ray diffraction and in situ and operando IR and Raman spectroscopy) and morphological methods (Scanning Electron Microscopy).