Nouveaux matériaux à base d'aérogels pour la production d'hydrogène vert par électrolyse de l'eau basse température en électrolyseur alcalin à membrane (AEMWE)

New aerogel-based materials for the production of green hydrogen by low temperature water electrolysis in alkaline membrane electrolyzer (AEMWE)

• Auteur / Autrice : Pierre Antonczak
• Direction : Christian Beauger
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 18/11/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• 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 : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Aérogel

Electrolyse alkaline

Basse température

Aerogel

Alkaline electrolysis

Low temperature

Résumé

Contexte et enjeux Un des défis majeurs de l'électrolyse '' basse température '' concerne les ressources en catalyseurs utilisés pour favoriser la réaction d'oxydation de l'eau, l'iridium et celle de réduction des protons, le platine. Le fonctionnement en condition alcaline permet de réduire considérablement la quantité de métaux précieux, l'oxydation de l'eau pouvant être réalisée sur Ni. La technologie à membrane alcaline (AEM) promet un certain nombre d'avantages par rapport à la technologie classique à électrolyte liquide. Pour la voir se développer, il est nécessaire d'optimiser les assemblages membrane-électrodes (AME), ce qui passe par un travail sur les électrodes et leur intégration en AME. Pour augmenter l'activité massique et réduire les pertes par transport de matière, la stratégie proposée dans ce travail est de '' nano-architecturer '' les matériaux d'électrode en développant des aérogels de Ni ou composites Ni-Co pour l'oxydation de l'eau (anode) d'une part et des aérogels de carbone comme support de Pt voire de Ni pour la réaction de réduction des protons (cathode) d'autre part. Le travail proposé ici va de la synthèse de nouveaux matériaux aérogels pour l'électrolyse à leur évaluation en conditions réelles de fonctionnement en monocellule. Objectifs scientifiques - Synthèse de nouveaux aérogels et leur caractérisation (physico-chimique et électrochimique) ; - préparation d'électrodes nano-architecturées à partir des matériaux aérogels obtenus (formulation et dépôt d'encres) ; - préparation et caractérisation d'AMEs en conditions réelles de fonctionnement (monocellule) ; - compréhension des phénomènes responsables des propriétés finales 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 pour la cathode et de développer de nouveaux protocoles de synthèse d'aérogels métalliques pour l'anode. Les aérogels seront synthétisés par voie sol-gel suivie d'une étape de séchage au CO2 supercritique. 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. 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 des composites (XPS, EDX, conductivité électronique), la dispersion et la répartition des nanoparticules (DRX, MET) ainsi que l'activité électrocatalytique et la durabilité de l'électrocatalyseur (Voltamétrie cyclique, vieillissement sur électrode tournante). Les catalyseurs les plus prometteurs (activité massique et durabilité) seront sélectionnés et intégrés en AMEs pour être testés en cellule d'électrolyse (activité et durabilité). Résultats attendus Cette étude permettra de développer des matériaux à base d'aérogels présentant des caractéristiques permettant de les utiliser comme matériaux d'électrode dans les électrolyseurs basse température à membrane alcaline (AEMWE). Les objectifs du projet de recherche dans le cadre duquel la thèse sera menée (ANR IDEAS) sont de réduire la quantité de métaux précieux à 0.2 mg/W (1.7 mg/W en 2020) tout en réduisant les pertes de performance à 0.7 %/1000h (> 1%/1000h en 2020).