: Etude de la structure et du comportement en fonctionnement d'électrodes de piles à combustible à base d'oxydes mixtes par spectroscopies in situ et techniques d'analyse de surface

Study of the structure and operating behaviour of mixed oxide fuel cell electrodes using in situ spectroscopy and surface analysis techniques

• Auteur / Autrice : Valerie Theuns
• Direction : Elise Berrier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie theorique, physique, analytique - UCCS
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide

Mots clés

Mots clés libres

Perovskites

Piles à combustibles

Spectroscopies in situ

Sciences des surfaces

Perovskites

Fuel cells

In situ spectroscopy

Surface sciences

Résumé

Les oxydes mixtes de structure perovskite ABO3 sont des matériaux fascinants car ils peuvent accommoder un grand nombre d'éléments chimiques. Ils ont été massivement étudiés pour leurs nombreuses propriétés de volume et sont actuellement utilisés dans des dispositifs de piles à combustibles à oxyde solide. Plus récemment, leurs propriétés de surface ont été également étudiées pour des applications de type pot catalytique. Dans ce contexte, nos travaux récents suggèrent que certaines perovksites oxydes sont capables de se reconstruire en surface et de générer des zones de contact très réactives entre la matrice perovskite et des nano-phases oxydes précipitées en surface. Ce phénomène est particulièrement visible dans des matériaux déficitaires en cation de site A comme La0,7FeO3, dérivé de LaFeO3, ou dans le cas de certaines formulations où des ions Cu2+ substituent des ions Fe3+ comme dans le cas de La0,7Fe0,8Cu0.2O3. L'étude en profondeur des mécanismes en jeu lors des réactions électrochimiques aux électrodes des piles à combustibles/électrolyseurs suppose d'observer les matériaux d'électrodes dans des conditions proches de celles de leur utilisation en conditions réelles. Cette approche in situ consiste à observer les phases actives en fonctionnement et permet de collecter des données pertinentes au regard de l'application cible. De plus, les réactions électrochimiques sont des processus très localisés au niveau de l'interface entre les phases gaz et solide. Il est donc souhaitable de collecter des informations quantitatives et qualitatives relevant de l'extrême surface de ces matériaux. La spectroscopie de diffusion d'ion de faible énergie (LEIS) est une technique qui permet une telle résolution en profondeur. En retour, cette technique est opérée sous vide poussé, et partant, ne permet pas d'observer des dynamiques en fonctionnement. L'implémentation récente d'un XPS sous pression (NAP-XPS) au sein du pôle d'analyse de surface de la fédération de recherche Chevreul rend possible l'étude relativement résolue en surface d'un échantillon soumis à des conditions de pression et de température données et sera largement exploitée, en complément de techniques uniquement accessibles sur des équipement disposant du rayonnement synchrotron.

Mixed oxides with the ABO3 perovskite structure are fascinating materials because they can accommodate a large number of chemical elements. They have been extensively studied for their properties and are currently being used in solid oxide fuel cell devices. More recently, their surface properties have also been studied for catalytic converter applications. In this context, our recent work suggests that certain perovksite oxides are capable of rebuilding themselves on the surface and generating highly reactive contact zones between the perovskite matrix and oxide nano-phases precipitated on the surface. This phenomenon is particularly visible in A-site cation-deficient materials such as La0.7FeO3, derived from LaFeO3, or in the case of certain formulations where Cu2+ ions substitute for Fe3+ ions, as in the case of La0.7Fe0.8Cu0.2O3. An in-depth study of the mechanisms involved in electrochemical reactions at the electrodes of fuel cells/electrolysers involves observing electrode materials under conditions close to those in which they are used in real-life conditions. This in situ approach involves observing the active phases in operation and collecting data relevant to the target application. In addition, electrochemical reactions are very localised processes at the interface between the gas and solid phases. It is therefore desirable to collect quantitative and qualitative information relating to the surface of these materials. Low-energy ion scattering spectroscopy (LEIS) is one technique that allows such depth resolution. However, this technique is operated in a high vacuum, and therefore does not allow us to observe dynamics in operation. The recent implementation of a pressurised XPS under pressure (NAP-XPS) within the surface analysis unit of the Chevreul research federation makes it possible to carry out a relatively high-resolution study of the surface of a sample subjected to given conditions of pressure and temperature, and will be widely used to complement techniques that can only be performed on equipment equipped with synchrotron radiation.