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Réactivité de surface

Pour la réactivité des surfaces, nous couvrons un champ complet partant des surfaces monocristallines jusqu’aux assemblages membrane/électrodes (AME), via les nanocatalyseurs de forme, structure, chimie et densité de défauts parfaitement contrôlées, en passant par le choix des supports conducteurs électroniques et de porosité adaptée à l’insertion de ionomère et aux phénomènes de transport de matière.
Pour les électrodes monocristallines, nous développons de nouvelles méthodes de caractérisation in situ : la diffraction X résonnante (surface resonant X-ray diffraction: SRXRD) ; synchrotron) et la spectroscopie Raman amplifiée (TERS) par pointe pour caractériser les liaisons avec les adsorbats (nous traiterons notamment le cas de l’adsorption/électrooxydation de monoxyde de carbone sur surfaces nobles).
Pour les nanocatalyseurs, nous souhaitons coupler les équipements DEMS et ICP-MS pour déterminer le rendement faradique des réactions électrocatalytiques prenant place dans les PEMFC et PEMWE (fraction du courant servant efficacement à la réaction électrochimique de dégagement gazeux vs. courant de dissolution des matériaux d’électrodes). Nous commencerons par des électrodes modèles puis étendrons notre approche aux électrocatalyseurs nanostructurés (supportés ou non) et aux systèmes complets.
Pour permettre la fabrication d’AME et leurs tests en cellules complètes, nous mettrons à l’échelle les méthodes de synthèse de nanocatalyseurs développées lors du dernier quinquennal et souhaitons créer une équipe commune avec le CEA-Liten à Grenoble (qui a l’expertise de la mise à l’échelle des matériaux, la fabrication d’AME et leurs tests en cellules élémentaires mais aussi en modules de plusieurs cellules de pile à combustible et d’électrolyseur basse température). Nous appliquerons cette méthodologie aux milieux acide et alcalin pour comprendre et limiter la dégradation des matériaux tout en réduisant les quantités de métal précieux utilisées dans ces dispositifs.
 

Électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE, contact: Frédéric Maillard) et
Électrolyseurs alcalins (Contact: Marian Chatenet and Jonathan Deseure)

H2 peut être produit par électrolyse de l'eau en électrolytes alcalin, neutre ou acide, et chaque technologie a ses avantages et inconvénients. A pH alcalin, le potentiel auquel se produit le dégagement de dioxygène est considérablement réduit, ce qui permet d'utiliser des métaux non nobles (les électrolyseurs KOH utilisent des électrodes en nickel et acier inoxydable). Cependant, les électrolytes alcalins sont très corrosifs, facilement empoisonnés par le dioxyde de carbone et ont une faible conductivité ionique, ce qui conduit à des performances relativement faibles en termes de densité de courant. Par ailleurs, les électrolyseurs alcalins sont peu compatibles avec un fonctionnement intermittent (le mode dans lequels ils doivent fonctionner pour le stockage des énergies renouvelables).

Dans le cadre du projet Hy-walHy, nous étudions une voie originale d'intensification du procédé par activation magnétique. Cela permet de grandement abaisser les surtensions aux électrodes et de rendre le procédé plus compatible avec un fonctionnement intermittent, le tout, sans utilisation de métaux nobles aux électrodes. Nous étudions aussi des électrodes d'acier pour le dégagement de l'oxygène en milieu alcalin, ces électrodes étant à la fois très active et durables.

Les électrolyseurs d'eau fonctionnant avec un électrolyte polymère solide acide - également appelés électrolyseurs d'eau à membrane électrolytique polymère (PEMWE) - présentent plusieurs avantages par rapport aux électrolyseurs alcalins : (i) plus grande efficacité énergétique à haute densité de courant, (ii) polyvalence (les électrolyseurs de l'eau PEMWE peuvent fonctionner des régimes variés), (iii) démarrage plus rapide, (iv) utilisation d'une technologie à électrolyte polymère similaire à celle des PEMFC, pour laquelle des progrès considérables ont été réalisés au cours de la dernière décennie.

Dans le cadre du projet MOISE, notre objectif est de développer des nanoparticules d'IrOx ayant une activité massique pour le dégagement de dixoygène plus élevée et une stabilité identique à celle des particules d'IrO2 de type rutile. Syntétiser des nanomatériaux catalytiques nécessite toutefois la conception et l'utilisation de supports conducteurs électroniques qui présentent (i) une grande surface spécifique pour maximiser la distribution des nanoparticules tout en empêchant leur agglomération/agrégation, (ii) une distribution optimale de la taille des pores pour permettre un accès facile des réactifs aux électrodes et le retrait des produits des électrodes. Egalement, le support des nanoparticules d'IrOx doit pouvoir résister à un potentiel électrochimique élevé (E > 1,8 V par rapport à l'électrode à hydrogène standard - SHE), à un environnement très acide et à une température modérée (< 80-90 °C). Ces conditions de fonctionnement rendent instables les supports classiques à grande surface, tels que les noirs de carbone (le carbone est oxydé à des potentiels supérieurs à 0,207 V par rapport à l'électrode réversible à hydrogène). Nous nous concentrons donc sur les oxydes métalliques conducteurs comme le dioxyde d'étain dopé, dont la morphologie est conforme aux spécifications de l'électrolyse de l'eau PEM. De plus, leur conductivité électronique peut être réglée en modifiant la nature et la concentration de l'élément dopant. Pour en savoir plus sur cette thématique

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons (Contact: Laetitia Dubau and Frédéric Maillard)

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, grâce à leur densité énergétique potentiellement illimitée, sont d'intérêt pour des apllications portables, automobiles ou stationnaires. Toutefois, il reste encore plusieurs obstacles à franchir avant que leur commercialisation à grande échelle ne soit généralisée : (i) l'amélioration de la cinétique de la réaction cathodique (réaction de réduction de l'oxygène, ORR), (ii) la diminution du coût des couches catalytiques, (iii) l'amélioration de la durabilité du matériau cathodique et (iv) le transfert efficace des nanocatalyseurs ORR hautement actifs en laboratoire à de vrais assemblages membrane électrodes (MEAs).

Dans le cadre du projet BRIDGE nous cherchons à identifier et lever les verrous technologiques limitant le transfert de matériaux catalytiques ORR prometteurs, identifiés après des études fondamentales dans des conditions de laboratoire bien contrôlées, à des cathodes de PEMFC efficaces. Dans ce but, une bibliothèque de matériaux composée de nanocatalyseurs ORR parmi le splus actifs au niveau mondial (octaédriques, cubiques, creux, nanofils et "éponge") est en cours de construction. Pour en savoir plus sur cette thématique

Dans les projets CAT2CAT et ANIMA, nous travaillons sur des alternatives au Pt comme les catalyseurs métal-azote-carbone (Métal-N-C avec Métal = fer ou cobalt). Ces matériaux comprennent souvent différents types de groupements azotés et d'espèces métalliques. On peut trouver des ions métalliques atomiquement dispersés et coordonnés à l'azote (Metal-NxCy) et des particules métalliques ou de carbure métallique (Metal@N-C), partiellement ou complètement enrobées dans des coques en graphène. Bien qu'il soit complexe de démêler les différentes contributions de ces espèces à l'activité ORR initiale des catalyseurs Metal-N-C, il est encore plus difficile de suivre le devenir de ces différents sites actifs pendant le vieillissement électrochimique. Pour ce faire, des échantillons différents les uns des autres par la nature du métal (Fe ou Co), la teneur en métal et le mode de chauffage appliqué pendant la pyrolyse sont synthétisés. Tous les catalyseurs présentaient une activité de masse élevée en début de vie, mais ils ont tendance à vieillir différemment dans les conditions de fonctionnement des PEMFC. Pour en savoir plus sur cette thématique

Direct Alkaline Fuel Cells (Contact: Marian Chatenet)

Les piles à combustibles alcalines (AFC) sont compatibles avec l'oxydation directe de combustibles complexes pouvant se substituer à H2 sans baisse significative des performance, même quand des électrocatalyseurs sans platine sont utilisés. L'équipe électrochimie interfaciale et procédé s'intéresse à de tels dispositifs sous deux aspects: (1) les matériaux et mécansimes d'électrooxydation de combustibles non carbonés de la famille du bore et/ou de l'azote (pour les AFC directes) et (2) les électrocatalyseurs sans Pt pour l'électroréduction de l'oxygène (ORR). En savoir plus.

Réactivité à la surface des monocristaux (Contact: Eric Sibert)

La réactivité en catalyse hétérogène et en particulier en électrocatalyse est très sensible à la structure de surface. Pour relier la réactivité et la structure de la surface, il est indispensable de travailler sur des surfaces bien définies à l'échelle atomique. Les électrodes monocristallines, pour lesquelles une seule orientation cristallographique peut être mise en contact avec l'électrolyte, représentent un catalyseur modèle très intéressant pour l'étude de l'orientation cristallographique sur l'activité catalytique.
Plus de détails sur les études avec des méthodes classiques et celles utilisant le rayonnement synchrotron.
 

Batteries métal-airs (Contact: Marian Chatenet)

Les piles et accumulateurs (en langage courant, les batteries) métal-air sont des générateurs électrochimiques de grande densité d'énergie. Après avoir étudié les batteries Li-air à électrolyte aqueux en collaboration industrielle avec EDF, nous avons étudié les électrodes à air pour batteries Li-air organiques avec Hutchinson. Nous travaillons désormais sur les électrodes de zinc pour batteries Zn-air rechargeables à électrolyte aqueux. En savoir plus.

mise à jour le 10 janvier 2020

Université Grenoble Alpes