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ANIMA

Mécanismes de dégradation des catalyseurs non précieux utilisés pour réduire le dioxygène (ORR)

Une voie possible pour résoudre les contraintes économiques et géologiques liées à l'utilisation du platine (Pt) dans les piles à combustibles à membrane échangeuse de protons consiste à développer des catalyseurs à base de métaux non précieux (NPMC). Les oxydes, nitrures et/ou carbures de métaux de transition, chalcogénures de métaux de transition, matériaux carbonés nanostructurés, matériaux carbonés dopés à l'azote, au soufre, au bore, au phosphore, ainsi que les catalyseurs à base d'azote et de carbone ont démontré un réel potentiel pour électrocatalyser l’ORR en électrolyte acide ou alcalin. Parmi les NPMC, la catégorie de matériaux la plus mature consiste à pyrolyser des atomes métalliques (Fe ou Co), et des précurseurs azoté (N) et carboné. Leur activité électrocatalytique pour l’ORR dépend fortement de leur structure physique et chimique, à savoir la nature et la coordination des centres métalliques, la teneur en métal, le potentiel redox de ces derniers, la basicité des groupes contenant de l'azote et la distribution de la taille des pores dans la phase carbonée.

Des études sur assemblages membrane|électrodes et électrode à disque tournant ont montré que l'activité ORR des catalyseurs Métal-N-C-C diminue au cours du temps, mais les mécanismes de dégradation sous-jacents n’ont pas été éclaircis. Pour répondre à aux questions sous-jacentes, nous utilisons des catalyseurs Métal-N-C modèles, préparés par le groupe de Frédéric Jaouen à l’ICGM, et qui différent les uns des autres par la nature du métal (Fe ou Co), la fraction massique en métal et le mode de chauffage appliqué pendant la pyrolyse et les faisons vieillir dans des conditions simulant les conditions de fonctionnement d’une cathode de PEMFC (80°C, cycle de charge ou protocole démarrage/arrêt, 10k cycles). En combinant les informations obtenues par des techniques électrochimiques, spectroscopiques et spectrométriques, nous avons mis en évidence que la démétallation des centres catalytiques et la corrosion de la matrice de carbone sont les raisons de la perte d’activité catalytique pour l’ORR en milieu acide et sous atmosphère neutre. Pour en savoir plus.
 
Demetallation of the catalytic centres is the main cause of the decrease in ORR activity of Metal-N-C electrocatalysts in conditions simulating PEMFC cathode load-cycling.
Figure 1. Demetallation of the catalytic centres is the main cause of the decrease in ORR activity of Metal-N-C electrocatalysts during load-cycling under neutral atmosphere.
 
Acknowledgements

This work is performed within the framework of the Centre of Excellence of Multifunctional Architectured Materials “CEMAM” n° AN-10-LABX-44-01. The authors acknowledge financial support from the French National Research Agency through the CAT2CAT and MOISE projects.

References

1. K. Kumar, P. Gairola, M. Lions, N. Ranjbar-Sahraie, M. Mermoux, L. Dubau, A. Zitolo, F. Jaouen, F. Maillard, “Physical and Chemical Considerations for Improving Catalytic Activity and Stability of Non-Precious Metal Oxygen Reduction Reaction Catalysts”, ACS Catal. 8 (2018) 11264-11276. DOI: 10.1021/acscatal.8b02934
2. R. Sgarbi, K. Kumar, F. Jaouen, A. Zitolo, E. Ticianelli, F. Maillard, “Oxygen Reduction Reaction Mechanism and Kinetics on M-NxCy and M@N-C Active Sites Present in Model M-N-C Catalysts Under Alkaline and Acidic Conditions”, J. Solid State Electrochem., (2019), invited article in honour of the 70th birthday of Prof. Dr. José Zagal.
3. K. Kumar, L. Dubau, M. Mermoux, J. Li. A. Zitolo, J. Nelayah, F. Jaouen, F. Maillard, “On the Influence of Oxygen on the Degradation of Fe-N-C Catalysts”, (2019) accepted in Angew. Chemie. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201912451

mise à jour le 6 décembre 2019

Univ. Grenoble Alpes