DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Contrôle des Interfaces Electrochimiques pour de meilleurs electrocatalyseurs pour l’oxydation de l’eau – MIDWAY

Résumé de soumission

La production, le stockage et l'utilisation d'énergie à grande échelle est un des défis majeurs auquel nos sociétés vont avoir à faire face dans les prochaines décennies. La dépendance actuel du secteur énergétique aux énergies fossiles fait de cette problématique une urgence à résoudre pour les prochaines générations de scientifiques. Ainsi, le développement des énergies renouvelables est largement limité par la faible efficacité des systèmes de stockage et conversion d'énergie qui leur sont associés. En particulier, les technologies à forte densité d'énergie telles que le couple piles à combustible/électrolyseur souffrent de faibles efficacités énergétiques liées au fait que les processus ayant lieux au interfaces électrochimiques, i.e. interfaces solide/solide et solide/liquide, ne sont pas parfaitement compris et maitrisés. En particulier, les faibles cinétiques associées à la réaction d'oxydation de l'eau et de dégagement d'oxygène limitent le développement des électrolyseurs. De nombreuses études ont ainsi été dédiées à la compréhension de ces phénomènes ainsi qu'au développement de meilleurs catalyseurs de la réaction, sans pour le moment atteindre les objectifs industriels en terme d'activité et de longévité.

Néanmoins, à travers ces différents travaux, la récente découverte démontrant que l'activation de l'oxygène de surface du catalyseur de type oxyde comme site actif améliore sensiblement les cinétiques de réaction propose une piste intéressante à poursuivre. En effet, cette activation diminue fortement la barrière énergétique liée à la formation de la liaison O-O, étape qui limite normalement la réaction pour les catalyseurs dits classiques, jusqu'à rendre le transfert du proton en surface cinétiquement limitant. Malheureusement, ce nouveau type de mécanisme réactionnel s'accompagne aussi de la découverte que l'activation des oxygènes de surface comme site redox entraine une faible tenue en cyclage de ces catalyseurs liée à des phénomènes de dégradation de surface. Au vue de cette conclusion, la compétition est féroce au sein des laboratoires de recherche afin de proposer une solution viable à cette contradiction. En effet, cette corrélation activité/stabilité définie une barrière quasi infranchissable lorsque perçue via une approche classique des phénomènes électrocatalytiques. Ainsi, les chercheurs doivent développer de nouvelles stratégies basées sur les propriétés extrinsèques des catalyseurs afin de maitriser de façon indépendante leur activité et leur stabilité. Pour cela, nous devons changer l'échelle à laquelle nous comprenons le catalyseur, et inclure dans son design les interfaces solide/solide et solide/liquide impliquées dans la réaction.

Dans le projet MIDWAY, une approche combinée science des matériaux/chimie sera développée pour combattre les limitations inhérentes aux développements de nouveaux catalyseurs pour la réaction de dégazement d'oxygène. Pour cela, nous proposons d'utiliser à notre avantage les phénomènes d'oxydation et de dégradation de matériaux de structure perovskite afin de former de nouvelles surfaces aux propriétés exacerbées. Notre objectif est ainsi de mieux comprendre les phénomènes complexes de transfert de charge entre le coeur et la surface des catalyseurs ainsi que les mécanismes de compensation de charge à l'interface surface/électrolyte associés au transfert du proton. Afin de mener à bien cette étude, des outils dédiés seront nécessaires. Ainsi, nous développerons une série de cellules in situ afin de pouvoir analyser les gaz former par spectrométrie de masse, afin de pouvoir effectuer des mesures par spectroscopie des rayons-x au synchrotron et des mesures simultanées Mott Schottky aux interfaces solide/solide et solide/liquide. L'acquisition de ces différentes compréhension fondamentales nous permettra ainsi de mettre au jour la science en jeu lors de cette réaction.

Coordination du projet

Alexis Grimaud (Chimie du Solide et Energie UMR8260)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Chimie du Solide et Energie UMR8260

Aide de l'ANR 230 482 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 42 Mois

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