Catalyseurs hétérofonctionneles poreux pour la réduction de l'eau en milieu alcalin – HYKALIN

L’électrolyse de l’eau à membrane échangeuse d’anions (AEM) est une technologie très prometteuse pour la production propre d’H2 à faible coût. Tout comme l’électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM), cette technologie « tout solide » permet le couplage avec les sources d’énergie intermittentes, une efficacité énergétique élevée et une très grande pureté de H2. De plus, elle permet l’emploi d’électrocatalyseurs à base de métaux non-nobles pour la formation de H2 à la cathode (HER) mais aussi O2 à l’anode (OER), contrairement aux électrolyseurs PEM où ces catalyseurs sont exclusivement composés de métaux nobles, rares et chers. Le procédé AEM doit cependant encore gagner en performance et stabilité pour rivaliser avec les densités de courant élevées des électrolyseurs PEM commerciaux. Pour y parvenir, certains composants essentiels de l’assemblage membrane électrode (MEA) de l’électrolyseur AEM doivent être optimisés et en particulier les catalyseurs pour l’HER. En effet, la réaction d’HER alcaline est beaucoup plus lente qu’en milieu acide car elle implique une première étape de dissociation de l’eau, considérée comme cinétiquement déterminante. Ainsi, pour améliorer cette cinétique, le concept général de catalyseurs hétérofonctionnels a récemment émergé. Il s’agit d’interfacer intimement deux ou plusieurs composants actifs de façon à créer une synergie entre eux favorisant la dissociation de l’eau. En particulier, des catalyseurs bifonctionnels combinant i) un matériau qui favorise l’adsorption de l’atome d’H et ii) un matériau avec de bonnes propriétés d’adsorption de l’eau ont montré une amélioration de la vitesse d’un facteur 7. Le projet HYKALIN ambitionne d’augmenter significativement les performances actuelles des électrolyseurs AEM pour atteindre celles des électrolyseurs PEM en s’attaquant à des aspects non encore explorés de ce domaine. Par son approche intégrative allant du fondamental à l’appliqué, le projet HYKALIN vise à :
1)Développer des catalyseurs hétérofonctionnels pour l’HER en milieu alcalin, n’utilisant que des métaux abondants tels que Ni, Co, Cu et Mo; éléments déjà connus pour catalyser activement cette réaction. Ces catalyseurs sont des composites combinant un métal et un oxyde ou un sulfure métallique abrégés M@M’Ox et M@M’Sx. La stratégie de synthèse envisagée se déroule en deux étapes afin de maximiser les interfaces entre ces deux matériaux et le nombre de sites catalytiques. La première étape consiste à former des alliages MM’ où les métaux M et M’ sont distribués à l’échelle nanométrique. Nous envisageons les voies polyol ou aérosol pour les réaliser. Ces alliages seront ensuite convertis en M@M’Ox et M@M’Sx par un traitement thermique ou en solution en ciblant des morphologies poreuses, qui sont essentielles à la bonne circulation de l’eau et des gaz au sein de l’AME et donc à l’amélioration des performances.
2)Caractériser finement les propriétés électrochimiques ainsi que la structure sous conditions d’opération de ces catalyseurs par spectroscopie des rayons-X afin de comprendre et améliorer leur activité. La nature et la composition chimique des catalyseurs, leur morphologie seront étudiées afin de mieux connaître le mécanisme de la réaction d’HER alcaline. Des calculs DFT et ab initio seront menés en parallèle afin d’appuyer les interprétations des résultats expérimentaux dans l’établissement de relations structure-activité.
3)Dans un troisième temps, insérer ces catalyseurs dans des MEA et les tester dans une cellule d’électrolyse. La préparation des MEA sera optimisée tout comme les conditions de fonctionnement de la cellule afin d’obtenir des informations sur les mécanismes de détérioration des performances.
Cette approche permettra l’amélioration considérable des connaissances dans le champ encore naissant des électrolyseurs AEM et devrait permettre, à moyen terme, des avancées majeures dans la compétitivité de ces systèmes pour la production décarbonée d’hydrogène.