Abstract FR:

La décomposition électrolytique de l’eau en hydrogène et oxygène à l’aide d’électricité renouvelable générée par les courants marins ou à partir d’énergie éolienne ou solaire, constitue l’une des voies les plus propres et directes pour produire de l’hydrogène. Toutefois, la production de grands volumes d’hydrogène par décomposition électrolytique de l’eau comporte un verrou technologique qui réside dans la forte surtension à vaincre à l’anode où de l’oxygène est dégagé. Ce travail de thèse s’est attaché donc à mettre au point des matériaux d’électrodes capables de catalyser de l’eau en oxygène de façon efficace et stable, en utilisant des éléments chimiques suffisamment abondants sur terre. Pour cela nous avons exploré des composés présentant des porosités à structures hiérarchiques et des procédés de préparation efficaces, aisées à mettre en œuvre et susceptibles d’un usage à l’échelle industrielle. Nous avons développé deux types d’électrocatalyseurs d’oxydation de l’eau en oxygène en mettant au point deux voies de préparation impliquant chacune une phase d’activation in situ. Le premier type est une mousse de nickel dopée à la fois avec des cristaux de nickel, des nanoparticules de tétroxyde de tricobalt et des nanofeuilles d’oxyde de graphène via nickelage électrolytique, suivi d’une activation électrochimique in situ pour former de l’hydroxyde de nickel et des nano-plaques d’oxy-hydroxyde du même métal. Ce catalyseur hybride s’est avéré avoir des performances électrocatalytiques de bon niveau, comparables à celles des électrodes à base de métaux nobles qui sont disponibles dans l’état actuel de la technique ; il a en outre fait preuve d’une excellente stabilité en fonctionnement. Ces propriétés remarquables semblent liées à la fois aux dépôts formés sur la mousse de nickel par les différentes phases actives citées, aux nanoparticules d’oxy-hydroxyde de nickel, ainsi qu’aux effets de synergie qu’elles y induisent. Le second type d’électrocatalyseurs a été obtenu en combinant la projection thermique (HVOF) et un processus d’activation chimique puis électrochimique. Le matériau résultant possède de nanocouches du type jamborite formée in situ, sur la matrice poreuse à structure hiérarchique. Le catalyseur développé dans ce travail présente non seulement une surtension et une pente de Tafel exceptionnellement faibles, mais également une stabilité remarquable. Ces performances sont dues à un puissant effet de synergie dans laquelle interviennent la grande activité intrinsèque des nanofeuilles de jamborite et la grande rapidité des transports d’électrons et d’ions assurée par l'architecture poreuse hiérarchique. Il convient de noter que cette nouvelle méthodologie a le potentiel de produire des électrodes de grandes tailles apte à l’électrolyse alcaline de l'eau et crée ainsi de nouvelles perspectives dans le cadre de la conception d'électrocatalyseurs à la fois très actifs et stables. Nous avons également développé, initialement, des électrocatalyseurs destinés à la réduction de l’eau en hydrogène, qui impliquent également une activation électrochimique in situ. Ces électrodes peuvent être ainsi couplées aux électrodes précitées d’oxydation de l’eau en oxygène pour former des cellules électrochimiques complètes à deux électrodes, dont les performances rivalisent avec celles développées par le couple dioxyde de ruthénium/platine qui représente le meilleur état de la technique dans le cadre de la production d’hydrogène et d’oxygène par électrolyse de l’eau. En résumé, en combinant des techniques conventionnelles de revêtement et d’activation électrochimique in situ, ce travail a permis de développer une méthodologie de préparation d'électrodes catalytiques offrant de hautes performances et susceptibles de commercialisation. La technique d’activation électrochimique in situ exploite un comportement d'auto-optimisation dynamique qui est aisé à mettre en œuvre, facilement adaptable, efficace et respectueux de l'environnement.