Three-dimensional nanoarchitecturing of iridium for the oxygen evolution reaction (OER)

Nanoarchitecturation tridimensionnelle de l'iridium pour application au dégagement de dioxygène Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE) représentent une technologie prometteuse pour la production durable d’hydrogène, offrant une haute efficacité, une production d’hydrogène de grande pureté et une flexibilité opérationnelle. Toutefois, la cinétique lente de la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) à l’anode constitue encore un obstacle majeur à leur déploiement à grande échelle. L’oxyde d’iridium (IrOx) micrométrique demeure le catalyseur de référence pour l’OER dans les PEMWEs, avec des charges catalytiques à l’anode généralement de l’ordre de 1 à 2 mg cm⁻²geo. Étant donné que l’iridium est un métal très coûteux et que ses ressources sont limitées, il est essentiel de réduire drastiquement sa quantité pour permettre un déploiement à grande échelle des PEMWEs.Une des solutions envisagées est l’utilisation de nanoparticules (NPs), qui maximisent le rapport surface/volume, permettant une activité catalytique efficace tout en réduisant les quantités de métal utilisées. D’autres approches consistent à mieux comprendre les propriétés qui contrôlent l’activité OER et la stabilité des catalyseurs, pour améliorer leur utilisation. Le développement de procédés de recyclage de l’IrOx pourrait également constituer une réponse à la pénurie d’iridium induite par la mise en œuvre mondiale des PEMWE.Cette thèse porte sur l’étude des électrocatalyseurs à base d’iridium, et plus particulièrement sur les différentes propriétés de l’IrOx. Les objectifs scientifiques principaux de ce travail incluent :1. Comprendre l’interaction entre l’activité catalytique et la stabilité, et notamment étudier l'influence de différents paramètres physico-chimiques sur ces deux propriétés ;2. Étudier les modifications structurales, chimiques et morphologiques survenant durant l’OER en milieu acide ;3. Se concentrer sur le comportement en dissolution des catalyseurs à base d’iridium, dans le but de développer des procédés de recyclage de l’IrOx.Pour relever ces défis, une méthode de synthèse permettant d’obtenir une bibliothèque de NPs d’IrOx non supportées (avec des tailles allant de 3 à 25 nm) a été développée. Grâce à cette bibliothèque de matériaux, l’impact des conditions de recuit sur l’état d’oxydation de l’iridium et la cristallinité de la phase IrOx a été systématiquement étudié, et l’activité OER ainsi que la stabilité de ces électrocatalyseurs ont été évaluées. L’influence de paramètres physico-chimiques (tels que la taille des NPs, la cristallinité, l’état d’oxydation, la morphologie...) sur ces deux propriétés antagonistes a également été analysée. Les catalyseurs les plus prometteurs ont été intégrés dans des assemblages membrane-électrode (MEA) et testés dans un dispositif PEMWE réel à tension constante pendant 500 heures. Les changements structuraux et chimiques survenant durant l’OER ont également été étudiés à l’aide de techniques in situ dans des installations synchrotron. Enfin, la possibilité de recycler les catalyseurs IrOx (par des procédés chimiques et électrochimiques) a été envisagée, afin de contribuer à un cycle plus durable.