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Elaboration par voie solvothermale de matériaux graphéniques : vers des électrodes de PEMFC sans platine

Offre de thèse

Elaboration par voie solvothermale de matériaux graphéniques : vers des électrodes de PEMFC sans platine

Date limite de candidature

30-04-2024

Date de début de contrat

01-10-2024

Directeur de thèse

FONTANA Sébastien

Encadrement

Suivi quotidien du doctorant, réunion hebdomadaire pour faire le point sur les avancées, les soucis techniques, les difficultés de tout ordre.

Type de contrat

Concours pour un contrat doctoral

école doctorale

C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE

équipe

DEPARTEMENT 2 - CP2S : 205 - Matériaux carbonés

contexte

Le stockage de l'énergie sous la forme de dihydrogène suscite un intérêt grandissant dans la communauté scientifique et les industries du secteur de l'énergie et du transport. Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent de convertir ce gaz en électricité sans rejets nocifs, à des températures peu élevées. Les catalyseurs actuels sont majoritairement constitués de nanoparticules de platine, déposées sur un matériau carboné microporeux. Or, ce métal noble est source de problèmes environnementaux et sociétaux, et son approvisionnement est soumis à des tensions et aléas géopolitiques. Il est donc intéressant d'explorer la possibilité d'utiliser des matériaux alternatifs. Largement étudiés dans la littérature, les matériaux carbonés dopés à l'azote possèdent une activité catalytique pour la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), celle-ci étant la plus limitante dans les PEMFC. Une méthode d'élaboration s'appuyant sur une réaction solvothermale entre du sodium et un alcool contenant des atomes d'azote, suivie d'un traitement de pyrolyse, a été mise au point dans l'équipe Matériaux Carbonés. Elle permet l'obtention de matériaux graphéniques dopés, présentant un fort caractère tridimensionnel, une porosité très développée et une activité catalytique pour l'ORR dans une PEMFC. Des densités de puissance électrique supérieures à 3 mW.cm-2 ont ainsi été atteintes. Plusieurs voies d'amélioration sont envisagées :

spécialité

Chimie

laboratoire

IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR

Mots clés

PEMFC, Graphene, Dopage, Electro-réduction de l'Oxygène

Détail de l'offre

Le stockage de l'énergie sous la forme de dihydrogène suscite un intérêt grandissant dans la communauté scientifique et les industries du secteur de l'énergie et du transport. Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent de convertir ce gaz en électricité sans rejets nocifs, à des températures peu élevées. Les catalyseurs actuels sont majoritairement constitués de nanoparticules de platine, déposées sur un matériau carboné microporeux. Or, ce métal noble est source de problèmes environnementaux et sociétaux, et son approvisionnement est soumis à des tensions et aléas géopolitiques. Il est donc intéressant d'explorer la possibilité d'utiliser des matériaux alternatifs.

Largement étudiés dans la littérature, les matériaux carbonés dopés à l'azote possèdent une activité catalytique pour la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), celle-ci étant la plus limitante dans les PEMFC. Une méthode d'élaboration s'appuyant sur une réaction solvothermale entre du sodium et un alcool contenant des atomes d'azote, suivie d'un traitement de pyrolyse, a été mise au point dans l'équipe Matériaux Carbonés. Elle permet l'obtention de matériaux graphéniques dopés, présentant un fort caractère tridimensionnel, une porosité très développée et une activité catalytique pour l'ORR dans une PEMFC. Des densités de puissance électrique supérieures à 3 mW.cm-2 ont ainsi été atteintes. Plusieurs voies d'amélioration sont envisagées :
• De nombreux travaux de recherche ont montré l'intérêt de doper ces structures graphéniques avec d'autres éléments du bloc p (S, P, B, Se). Des études DFT relatives aux propriétés de la liaison chimique entre l'oxygène et le catalyseur, ont rapporté que la double fonctionnalisation N/S, N/B ou N/P permettrait d'obtenir une activité catalytique accrue. Même si la plupart de ces modélisations se font à potentiel nul et ne prennent pas réellement en compte les interactions aux interfaces électrochimiques, il semble particulièrement intéressant d'envisager ce type de dopage.
• L'incorporation de certains métaux de transition, comme le nickel, le fer, le cobalt, le chrome, etc. possédant des propriétés intrinsèques pour la réaction d'ORR permettrait d'augmenter leurs performances. Les matériaux les plus prometteurs étudiés aujourd'hui sont les complexes métal-azote supportés sur un matériau carboné, notés M-Nx/C, M étant un métal de transition. Plusieurs voies d'études seront explorées, incluant la synthèse de complexes de métaux de transition à partir de la réaction solvothermale.

Les propriétés chimiques, texturales et structurales des échantillons produits seront analysées par différentes techniques complémentaires, en particulier ATG, DRX, MET, spectroscopies Raman et XPS, physisorption de gaz. Les nouveaux matériaux préparés seront évalués dans un premier temps en demi-pile permettant d'étudier la réaction de l'oxygène gazeux. Cette méthode donne un accès aux principales caractéristiques électrochimiques des matériaux produits et permet un screening rapide et efficace des matériaux graphéniques fonctionnalisés. Les matériaux le plus prometteurs seront produits en plus grande quantité, déposés sur une membrane avec une couche anodique pour former un assemblage de quelques 5 cm2 de surface : ces assemblages seront testés en pile complète.

Keywords

PEMFC, Graphene, Doping, Oxygen electro-reduction

Subject details

Our society has nowadays to face a growing energy demand throughout the world, linked to scarcer fossil energy. Together with the global warming, this has contributed to development of new energy forms, e.g. wind solar or geothermal energies. Storage of energy in the form of dihydrogen has aroused a huge interest in the scientific community as well as in energy and transport industrial branches. Fuel cells provided with proton exchanging membranes (PEMFC) allow dihydrogen to be converted into electrical energy without harmful emissions at a temperature level not too far from the ambient one. The large-scale development of this type of generator is currently hindered by its fabrication cost and its still insufficient reliability. This is in particular the case for the cathode (positive electrode) where oxygen reduction occurs. Most FC electrodes still consist of platinum nanoparticles dispersed on the surface of carbon-based support. This solution is not optimal because of the sluggishness of oxygen reduction reaction (ORR). Moreover, in spite of its significant reduction for two decades, the amount of platinum required for sufficient power density is still important. Besides, platinum catalysts are prone to ageing by corrosion and aggregation which reduces its efficiency. Finally, platinum is expensive, its extraction and refinery generate approx. 20 kg CO2 per g. Widely studied in the literature, nitrogen-doped carbonaceous materials have a catalytic activity for the oxygen reduction reaction (ORR), which is the most limiting reaction in PEMFCs. An elaboration method based on a solvothermal reaction between sodium and an alcohol containing nitrogen atoms, followed by a pyrolysis treatment, has been developed in the Carbonaceous Materials team. It allows to obtain doped graphenic materials, presenting a strong three-dimensional character, a very developed porosity and a catalytic activity for the ORR in a PEMFC. Electrical power densities higher than 3 mW.cm-2 have been reached. Several avenues of improvement are being considered: • As suggested in former studies, these graphenic structures can be doped with other elements of the p block (S, P, B, Se). DFT investigations of the properties of the C-O bond revealed that double functionalization N/S, N/B or N/P on the C support allows improvement in the catalytic activity. Even though most modelling works are performed at zero potential, without taking in account interaction with the electrode interface, this type of doping appears really promising. • Incorporation of transition metals e.g. Co or Fe could allow improvement of their performances. Metallic macrocycles such as porphyrin or phtalocyanin complexes centered on Fe or Co atoms and deposited on their carbon support, are considered as promising catalysts after their pyrolysis over 500°C. Active sites for ORR would be M-NxC groups (with M=Fe or Co) formed in the pyrolysis stage. The chemical, textural and structural properties of the produced samples will be analyzed by different complementary techniques, in particular TGA, XRD, TEM, Raman and XPS spectroscopies, gas physisorption. The new materials prepared will be evaluated in a first step in half-stack allowing to study the reaction. This method gives access to the main electrochemical characteristics of the materials produced and allows a fast and efficient screening of functionalized graphene materials. The most promising materials will be produced in larger quantities, deposited on a membrane with an anodic layer to form an assembly: these assemblies will be tested in a complete stack.

Profil du candidat

Les propriétés chimiques, texturales et structurales des échantillons produits seront analysées par différentes techniques complémentaires, en particulier ATG, DRX, MET, spectroscopies Raman et XPS, physisorption de gaz. Les nouveaux matériaux préparés seront évalués dans un premier temps en demi-pile permettant d'étudier la réaction de l'oxygène gazeux. Cette méthode donne un accès aux principales caractéristiques électrochimiques des matériaux produits et permet un screening rapide et efficace des matériaux graphéniques fonctionnalisés. Les matériaux le plus prometteurs seront produits en plus grande quantité, déposés sur une membrane avec une couche anodique pour former un assemblage de quelques 5 cm2 de surface : ces assemblages seront testés en pile complète.

Ingénieur ou titulaire d'un Master, le candidat devra posséder une bonne formation en chimie des matériaux. Il devra être familier des méthodes de synthèse des matériaux inorganiques, ainsi que des techniques de caractérisation adaptées (microscopie, DRX, …) et avoir des connaissances en électrochimie et en physicochimie. Le candidat devra posséder une bonne capacité d'adaptation, puisque l'approche globale nécessite des compétences pluridisciplinaires, entre sciences des matériaux et électrochimie.

Candidate profile

The candidate is expected to be highly motivated and capable of working independently, with a qualification of a Master's level in Materials Science/Inorganic or Physical Chemistry. Ground knowledge of electrochemistry would be appreciated, since the work will concern novel materials, chemical/electrochemical characterization plus in situ validation of the materials in electrochemical cells. This PhD student will participate in project meetings and international conferences. High level in French or/and English language is essential.

Référence biblio

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