UPThèses

Des nanoparticules de platine ont été préparées par différentes méthodes colloïdales de synthèse. La variation des paramètres de synthèse a permis de constituer une collection d'objets présentant une grande variété de formes et des tailles différentes. Tailles et formes sont deux paramètres qui ont été caractérisés par microscopie électronique et par diffraction de rayons X. Les caractérisations électrochimiques ont permis d'apporter de nombreuses informations sur la structure superficielle exhibée par les nanoparticules. L'ensemble des résultats obtenus à l'issue de ces caractérisations ont été utilisés pour l'interprétation des voltammogrammes enregistrés lors de l'électrooxydation de monoxyde de carbone adsorbé à la surface des nanocristaux préparés. Un fort effet de la structure superficielle a pu être enregistré.

Des catalyseurs Pt/C pour piles à combustible ont été préparés par des méthodes colloïdales. Des études par ATG, ATG-SM, MET et DRX de 323 à 573 K ont été réalisées sous atmosphère oxydante et réductrice pour mimer les conditions de travail d'anodes et de cathodes de PEMFCs et pour accélérer le processus de vieillissement. Sous débit d'air, on observe peu d'agrégation et aucune fusion des particules, donc pas d'augmentation de Lv. Ceci est expliqué par la présence d'oxydes à la surface du platine. Sous atmosphère réductrice (H2 3%/He), l'agrégation des entités de platine et l'augmentation de Lv se produisent. Deux cinétiques de croissance de cristallites existent. De plus, le support carboné subit une dégradation par combustion sous air et reformage sous atmosphère réductrice. L'effet du traitement thermique sous atmosphères contrôlées sur la surface active et sur l'activité pour la réduction de l'oxygène et l'oxydation du CO a été évalué.

Les micropiles à combustible sont un enjeu important pour l'alimentation de systèmes nomades. L'objet de cette thèse est l'étude des couches actives de micropiles à hydrogène, mais plus précisément de la cathode. Une première étude a permis d'observer l'impact de trois synthèses sur l'activité électrochimique d'un catalyseur Pt/C. Cependant, le coût, la performance et la durabilité de ce matériau incitent à étudier un autre catalyseur. Une étude préliminaire a conduit aux choix d'un catalyseur bimétallique PtCo/C. Utiliser différentes synthèses a permis l'identification des effets du cobalt mais a aussi permis la mise en évidence d'un lien étroit, entre le matériau, la synthèse, la structure et l'activité du catalyseur. Dans un second temps, l'étude du support de catalyseur est effectuée. En effet, une modification de ce support peut être intéressante, non seulement pour l'adaptation de la poudre catalytique au procédé de dépôt mais aussi pour une fonctionnalité supplémentaire au sein de la couche active. L'influence de la modification du support sur l'activité et sur la dégradation des catalyseurs a été le point clef de cette partie. Pour la technologie micropile en couche mince, les couches actives sont déposées par jet d'encre. La dispersion de la poudre catalytique dans une encre stable est donc un challenge important. L'étude des facteurs influant sur la stabilité de l'encre et leurs répercutions sur l'activité catalytique a permis l'établissement d'une formulation adaptée aux différents catalyseurs. Enfin, la validation des nouveaux catalyseurs en pile a permis de confirmer l'amélioration du matériau catalytique utilisé.

La modification de supports carbonés par des fonctions chimiques affecte notablement les propriétés de surface du matériau de départ. Celle-ci peut être menée par différentes méthodes : oxydation du support, ou greffage par réduction d'un synthon. Cette dernière méthode permet de conserver l'intégrité du substrat carboné, et semble de ce fait plus attractive. La réalisation de couches greffées de molécules sur une surface de carbone est effectuée par réduction d'ions diazonium ou iodonium. Cette réduction aboutie à la formation de radicaux, qui vont, au contact de surfaces carbonées, établir des liaisons covalentes avec le support. En sélectionnant judicieusement les fonctions terminales des groupements greffés, il est possible d'influer sur le comportement des couches actives de PEMFC, tel que le caractère hydrophile/hydrophobe, l'interaction platine/support ou encore l'attribution de caractéristiques de conduction ionique. Dans ce contexte, des couches greffées de groupements thiophénol ont été réalisées afin de renforcer l'accroche des nanoparticules de platine au support ; une limitation du processus de migration des nanoparticules ayant lieu avant le phénomène de frittage a été observée. Des carbones fonctionnalisés par des groupements acide 4-benzènesulfonique et 4-(trifluorométhyle)phényle ont été utilisés dans le but d'augmenter ou de diminuer la mouillabilité des couches actives. Enfin la possibilité de greffer des chaînes alkynyle ouvre la voie à l'attribution de caractéristiques de conduction ionique dans le but d'optimiser l'utilisation du catalyseur au sein des couches actives.

Cette thèse vise l'optimisation du processus de fabrication des AMEs par le pressage à chaud pour les PEMFC, l'optimisation des piles de type SAMFC et le développement de la métrologie spécifique pour la gestion de l'eau et de la chaleur dans le cœur des piles. Ces recherches ont été réalisées dans le cadre du projet " CHAMEAU " du programme PAN-H de l' ANR et du projet AMELI-0Pt du programme " Energies " du CNRS. Le premier objectif concerne la recherche des paramètres optimaux (température, pression, temps de pressage) de fabrication des AMEs par le pressage à chaud. Les résultats obtenus à travers la planification expérimentale annoncent la température comme le facteur le plus influent sur les performances électriques de la pile. Ces dernières augmentent avec la température sur la plage 100°C-115°C et diminuent brutalement après cette valeur critique. Deuxièmement, on s'intéresse sur le développement des piles SAMFC à combustible glycérol. Des travaux sur l'optimisation des conditions opératoires ont permis d'identifier les paramètres importants pour l'amélioration de performances des piles SAMFC et de mettre en place un protocole de test en pile. Des catalyseurs sans/ou avec peu de platine ont dévoilé une augmentation visible des performances électriques par rapport aux catalyseurs Pt/C. Des membranes plasma ont permis de tripler les performances électriques des piles SAMFCs. Troisièmement, on cible le développement d'une métrologie spécifique pour la mesure de la température à l'interface entre la membrane et la couche active. Des capteurs thermo-résistifs intégrés dans l'AME ont montré la possibilité et l'utilité de suivre en temps réel la température de la couche active

Les piles à combustible alcalines sont des alternatives aux PEMFC, permettant un plus large choix des catalyseurs et de combustibles, comme les petites molécules organiques et les borohydrures. L'activité et la sélectivité de nanocatalyseurs synthétisés par une méthode colloïdale ont été évaluées pour l'électrooxydation du glycérol et du borohydrure de sodium en milieu alcalin. La formulation des catalyseurs a été basée sur le palladium. Son interaction avec Au, Ni et Bi a été étudiée. Un catalyseur Pt/C a été également étudié ainsi que son interaction avec Bi. Concernant l'oxydation du glycérol, les catalyseurs PdAu/C sont plus actifs que les catalyseurs Au/C et Pd/C. Ce fait est expliqué par un effet synergétique entre les deux métaux qui forment des alliages ordonnés. Dans le cas des catalyseurs PdNi/C riches en Pd un mécanisme bi-fonctionnel semble plus probable pour expliquer l'augmentation d'activité. Les catalyseurs PdBi/C et PtBi/C sont les plus actifs. Les fonctions alcools primaires du glycérol sont oxydées préférentiellement sur les catalyseurs à base de Pd et Pt. La production de l'ion hydroxypyruvate a été détectée sur le catalyseur Au/C. Un mécanisme de l'oxydation de NaBH4 sur le Pd a été proposé, impliquant les réactions d'hydrolyse, d'oxydation de l'hydrogène et du borohydrure. Les catalyseurs Pd0,5Au0,5/C et Pd0,5Ni0,5/C ont une activité identique à celle du Pd/C. Le catalyseur Pt0,9Bi0,1/C est actif pour l'oxydation directe de NaBH4 à bas potentiels. L'oxydation du glycérol permet la cogénération d'électricité et de produits chimiques à haute valeur ajoutée, tandis que l'oxydation de NaBH4 permet d'atteindre de fortes densités d'énergie et de puissance.

Des nanoparticules de platine non supportées ont été préparées par différentes voies de synthèses colloïdales. Les méthodes mises en œuvre ont permis d'obtenir une collection d'objets de forme variable dans une gamme de taille nanométrique. Différentes techniques de caractérisations ont été utilisées pour la détermination de paramètres comme la taille et la forme (microscopie) ou encore la structure superficielle (électrochimie) des nanocristaux. Ainsi, il a été démontré que les nanoparticules préparées exposent des fractions variables de surface orientées (111) et (100) et de défauts en accord avec leurs formes. L'étude de nanoparticules de platine de formes contrôlées apparait aujourd'hui comme le lien manquant entre les catalyseurs industriels et les surfaces monocristallines. La réaction d'électro-oxydation du monoxyde de carbone a été étudiée afin d'apporter des informations sur les mécanismes mis en jeu à la surface des nanoparticules. Les résultats obtenus mettent clairement en évidence une forte dépendance du signal électrochimique et plus précisément du potentiel d'oxydation à la structure superficielle exposée par les nanoparticules. Enfin, la possibilité d'un nouveau mécanisme à plus bas potentiel sans adsorption dissociative de l'eau a aussi été mise en avant.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de développement de nouvelles couches catalytiques pour les piles à combustible du type PEMFC, basée sur la transposition de la phénoménologie du point triple à l'échelle moléculaire. Les travaux portent sur le greffage de polymères conducteurs protoniques à la surface de nanoparticules de platine afin d'obtenir des complexes catalytiques hybrides (organique/inorganique). Les matériaux ont été obtenus par deux méthodes de greffage du polystyrène sulfonate de sodium. La première méthode est la voie dite "grafting from". Elle consiste à polymériser le styrène sulfonate de sodium à partir de l'amorceur présent à la surface des nanoparticules de platine qui est greffé soit par "post greffage", soit par "greffage in situ". La seconde méthode appelée "grafting onto", quant à elle, consiste à synthétiser le polystyrène sulfonate de sodium en phase homogène puis de le condenser à la surface des nanoparticules de platine soit par "post greffage", soit par "greffage in situ" pendant les synthèses microémulsion "water in oil" et "instant method". La variation des paramètres de synthèse a permis de constituer une gamme de matériaux présentant une variété de densité de greffage à la surface des nanoparticules de platine. C'est sous la forme acide du polymère que s'opère la conduction protonique. Un traitement acide des matériaux a permis d'obtenir le polystyrène sulfonique (SO3H) à la surface des nanoparticules de platine. Les caractérisations électrochimiques réalisées dans deux milieux (support et oxydant) avec différentes électrodes de travail ont permis d'apporter de nombreuses informations sur la structure, l'activité...

Les stocks de glycérol à travers le monde augmentent, étant une matière première secondaire, ce produit chimique doit être valorisé. La co-production d'énergie électrique ou d'hydrogène et de produits chimiques à valeur ajoutée à partir du glycérol peut être réalisée dans des réacteurs électrochimiques. L'oxydation de glycérol est une réaction complexe qui peut conduire à un grand nombre de produits chimiques et d'intermédiaires utiles pour l'industrie. Le développement de catalyseurs spécifiques pour orienter les chemins réactionnels de l'électrooxydation du glycérol vers les produits désirés est un objectif très important. Des nanoparticules non supportées de palladium à distribution de taille et de forme contrôlées ont été synthétisées par une voie colloïdale et caractérisées par microscopie électronique et des méthodes électrochimiques afin d'obtenir une corrélation entre la structure de surface et la réponse électrochimique. Ces électrolyseurs modèles ont été modifiés par dépôt d'adatomes de bismuth. Et leur activité et sélectivité vis-à-vis de l'électrooxydation du glycérol ont été respectivement évaluées par voltammétrie cyclique et spectroscopie infrarouge in situ. Des matériaux plus proches d'applications industrielles à base de palladium et d'éléments du groupe p (Bi, Sn) ont ensuite été aussi synthétisés et évalués vis-à-vis de l'électrooxydation du glycérol. Les résultats obtenus montrent clairement l'influence de la composition, de l'orientation de surface et de la nature de catalyseur sur l'activité et la sélectivité dans la réaction de l'électrooxydation du glycérol.

Ce travail a porté sur l'élaboration de matériaux plurimétalliques et l'étude de leurs propriétés électrocatalytiques. Les matériaux monométalliques (Pt/C, Pd/C, Au/C), bimétalliques à base de métaux nobles (PtxAu1 x/C, PtxPd1 x/C et PdxAu1 x/C) et non nobles (PtxNi1 x/C, PtxCo1 x/C et PtxCu1 x/C) ont été dans un premier temps synthétisés par la méthode microémulsion « water-in-oil ». Une attention particulière a été portée sur les caractérisations physicochimiques et électrochimiques des matériaux synthétisés afin d'accéder à leur microstructure, la taille moyenne de leurs particules, leur morphologie, leur taux de charge sur le support carboné ou encore la composition atomique de volume et de surface de leurs nanoparticules. Leurs propriétés électrocatalytiques et leur sélectivité pour la réaction de réduction du dioxygène ont été étudiées en milieu HClO4 0,1 M à l'aide d'une électrode à disque tournant. Il a été montré que l'ajout du palladium ou du l'or au platine conduit à une diminution progressive de l'activité catalytique à l'exception du catalyseur Pt90Au10/C. Les catalyseurs PdxAu1 x/C ont montré de faibles activités catalytiques avec l'ajout de l'or. En revanche, les catalyseurs bimétalliques PtxNi1 x/C et PtxCo1 x/C ont montré une amélioration de l'activité électrocatalytique par rapport au platine pur. L'addition du cuivre au platine (PtxCu1 x/C) a permis une légère améliorer l'activité électrocatalytique sur un intervalle de potentiel compris entre 1,05 et 0,93 V / ERH. Tous les catalyseurs ont montré une sélectivité pour la formation de l'eau à l'exception des catalyseurs PtxAu1 x/C et PdxAu1 x/C qui ont montré une sélectivité pour la formation du péroxyde d'hydrogène lorsque la teneur en or devient importante. A partir des résultats obtenus sur les catalyseurs bimétalliques, une formulation des matériaux trimétalliques (PtxMyAuz/C, M= Co, Cu, Ni, Pd) a été réalisée. Ensuite, les propriétés physicochimiques et électrochimiques de ces matériaux ont été étudiées. Les propriétés catalytiques de ces matériaux ont été étudiées. Il en ressort que le catalyseur Pt60Ni20Au20/C conduit à l'activité maximale. Tous ces catalyseurs ont montré une sélectivité pour la formation de l'eau. L'étude de stabilité par cyclage potentiométrique sur les catalyseurs trimétalliques a révélé que le catalyseur Pt60Cu20Au20/C présente une meilleure stabilité que le platine et les autres catalyseurs trimétalliques. Une ségrégation de l'or en surface a été observée sur les matériaux après cyclage potentiométrique.