Soutenance thèse Arthur Bukowski

Parmi les différentes technologies d’électrolyse de l’eau, le procédé en milieu alcalin est le plus
prometteur pour produire de l’hydrogène à moindre coût et avec des émissions limitées de dioxyde
de carbone. L’utilisation de matériaux à base de nickel à la cathode et à l’anode est répandue,
permettant de réduire le coût global de fabrication de l’électrolyseur. Le nickel est aussi relativement
actif et stable dans le milieu agressif (KOH 30 wt.%, 90°C) utilisé dans la technologie des
électrolyseurs alcalins.
De plus, des recherches récentes ont mis en évidence l’influence potentielle des cations métalliques
dissous sur l’activité à la cathode. En étant réduites à la cathode, ces espèces dissoutes peuvent
former des sites métalliques ou oxydés stables selon les propriétés du métal. Cette surface modifiée
est susceptible de présenter une activité intrinsèque différente de celle de la surface initiale de la
cathode. Il est également possible que le dépôt électrochimique de ces espèces augmente la surface
spécifique de l’électrode, ce qui pourrait la rendre plus active. Ces phénomènes sont donc
particulièrement intéressants à comprendre, car ils sont directement liés à l’efficacité de
l’électrolyseur et au coût de l’hydrogène produit.
Dans ce contexte, l’objectif de ce projet de doctorat est d’étudier le comportement électrochimique
des cathodes de nickel en milieu alcalin pour la production d’hydrogène dans un contexte industriel
en présence de métaux dissous.
Le premier chapitre commence par une revue approfondie du contexte de développement de
l’électrolyse de l’eau, incluant les motivations derrière cette technologie, un aperçu des différentes
technologies existantes et les scénarios d’utilisation possibles. Il est suivi de considérations
théoriques sur l’électrochimie se produisant dans l’électrolyseur et d’un aperçu des principaux leviers
de réduction des coûts des électrodes : matériaux, performance et durabilité. Enfin, une revue
bibliographique sur l’effet des impuretés métalliques dissoutes en milieu alcalin sur les électrodes est
présentée.
Le deuxième chapitre présente les méthodes expérimentales et les dispositifs utilisés dans le projet
pour étudier le comportement électrochimique des cathodes en nickel en milieu alcalin. Plus
précisément, le choix des conditions d’étude électrochimique, telles que la concentration de
l’électrolyte, la température et les précurseurs métalliques, est soigneusement justifié. Les critères
utilisés pour évaluer la performance et la durabilité des électrodes sont également définis.
Le troisième chapitre est centré sur l’électrochimie du nickel et du fer en milieu alcalin. Après une
revue bibliographique, les résultats expérimentaux sont analysés en lien avec l’efficacité du nickel et
du fer comme catalyseurs pour la réaction de dégagement de l’hydrogène, en fonction du taux de
couverture en oxydes en milieu dilué. Ensuite, des résultats expérimentaux obtenus sur des
électrodes de nickel et de fer en conditions industrielles sont présentés pour montrer l’influence des
conditions agressives sur la teneur en oxydes des cathodes. La solubilité du fer est également
évaluée dans des conditions industrielles.
Le quatrième chapitre traite de l’influence du fer dissous sur la performance des cathodes en nickel.
Les résultats expérimentaux indiquent que, dans de telles conditions, le dépôt de fer se produit
simultanément à la réaction de dégagement de l’hydrogène, et que les modifications de la surface —
en termes de chimie et de surface spécifique — influencent l’efficacité de la cathode.
Le cinquième chapitre explore l’idée d’ajouter d’autres éléments métalliques à l’électrolyte pour
modifier la surface de la cathode. L’oxyde de vanadium a été testé et a montré une amélioration de
l’efficacité des électrodes en nickel précédemment désactivées sans augmentation de la surface
spécifique, ce qui soutient l’hypothèse qu’il modifie la chimie de surface du nickel.