Aller au contenu Aller au menu Aller à la recherche

accès rapides, services personnalisés
Rechercher
Labex MATISSE
MATériaux, InterfaceS, Surfaces, Environnement

Identification de nouveaux catalyseurs électrochimiques par microscopie électrochimique à balayage (SECM)

Fiche technique

  • Intitulé : Identification de nouveaux catalyseurs électrochimiques par microscopie électrochimique à balayage (SECM)
  • Thèmes : Matériaux Multifonctionnels et Environnement Interfaces, Transport, Réactivité
  • Financement :
    - MATISSE : 10%
    - Total : 90%
  • Responsable scientifique du projet : Carlos Sanchez-Sanchez
    Chargé de Recherche (CR1 / HDR)
    Laboratoire Interfaces et Systèmes Électrochimiques (LISE)
  • Localisation : LISE

Description du projet

Le paysage énergétique est en mutation et l’apport de l’électrochimie, en particulier pour les piles à combustible, représente une alternative sérieuse et éco-respectueuse à l’emploi de combustibles fossiles, permettant par la même une réduction effective des émissions de CO2 dans de grandes agglomérations. Cependant, une telle ambition repose essentiellement sur le développement et la disponibilité de catalyseurs fiables et efficaces. Même si ce principe est démontré depuis les années 70, aucune pile à combustible ne présente actuellement des performances qui combinent efficacité et stabilité. Une des principales difficultés est de trouver un matériau répondant à tous les critères requis, principalement : (i) une bonne activité catalytique et (ii) bonne stabilité du matériau vis-à-vis de la corrosion.

Ce projet est centré sur l'étude par microscopie électrochimique à balayage (SECM) de nouveaux nanomatériaux électrocatalytiques utilisables dans les piles à combustible à membrane à électrolyte polymère (PEMFC). L'objectif est d’améliorer le rapport entre l'activité de nouveaux nanomatériaux et leur durabilité en utilisant un outil puissant comme le SECM qui permet étudier simultanément plusieurs matériaux dans une même expérience. Le but final du projet sera donc d’identifier des catalyseurs qui présenteront à la fois une activité et une durabilité élevées, dans des conditions classiques d’utilisation de piles à combustible.

Les réactions d'intérêt que nous ciblons sont la réduction de l'oxygène (ORR), l'oxydation de l'eau (OER), l'oxydation de borohydrure (BOR), et l'oxydation de l'acide formique (FAOR). Actuellement, le principal challenge consiste en l’élaboration et la qualification d’un grand nombre de catalyseurs candidats pour trouver celui ou ceux qui permettront d’atteindre de bonnes performances catalytiques tout en conservant une bonne stabilité à long terme. Pour ce faire, il faut utiliser des outils électroanalytiques plus performants comme le SECM. La figure 1 illustre la flexibilité du SECM pour étudier différent réactions électrochimiques dans divers matériaux. Concrètement, le screening de différents matériaux catalytiques sera effectué en utilisant le SECM en mode pumped-MD/SC. Dans ce mode, seule une très faible quantité de matériau est requise et des réseaux de spots avec différentes compositions ou formulations de catalyseurs peuvent être préparés facilement sur le même échantillon (figure 1A). Ensuite, une micropipette est utilisée pour distribuer de faibles quantités de réactif dilué pour tester localement la réactivité de chaque composition (figure 1C et 1D).

Figure 1. Imagerie par SECM de différent electrocatalyseurs: (A) schème de l'échantillon composé par 8 matériaux différent, (B) image SECM de la courant catalytique amené par chaque matériel. Le matériel labélisé comme D montre la plus grand activité catalytique. Schème de l'expérience SECM en utilisant des micropipettes pour amener l'espèces électroactives d'intérêt pour les réactions (C) ORR et (D) OER. MATISSE 2016 - Equipements 4

Depuis début 2015, et grâce principalement au financement du projet "Scanning Electrochemical Microscopy for a rapid screening of new p-type semi-conducting materials based on metal oxides" par l'entreprise TOTAL, la plupart de l'équipement nécessaire pour ce projet et son évolution future est déjà disponible au LISE. Concrètement, le distributeur de gouttes (dans la gamme du nano-litre) pour préparer les réseaux de spots sur l'échantillon et le microscope SECM. Néanmoins, il manque encore le microscope métallographique qui permettra de caractériser en routine la taille, la forme et l'état global des échantillons avant et après les analyses par SECM. Ce dispositif permettrait également de mesurer le diamètre des micropipettes utilisées et de vérifier leur bonne état avant chaque utilisation. Ainsi, l'objectif de ce projet est avoir tout l'équipement nécessaire pour continuer le développement de ce projet sur l'identification de nouveaux catalyseurs électrochimiques par SECM et démarrer une thèse sur ce sujet le 1er octobre 2017.

Programme de travail 

  • Synthèse de nouveaux électrocatalyseurs basés sur des alliages métalliques et préparation des réseaux de spots.
  • Evaluation de l'activité electrocatalytique des nouveaux électrocatalyseurs par SECM en utilisant des micropipettes pour amener l'espèces électroactives d'intérêt pour les réactions ORR, EOR, BOR et FAOR.
  • Evaluation de la résistance à la corrosion des nouveaux électrocatalyseurs par SECM en utilisant des ultramicroélectrodes comme sonde pour capturer les cations métalliques dissous lors de la dégradation des électrocatalyseurs pendant l'ORR, EOR, BOR ou FAOR.

Ce projet repose sur l’expertise du porteur du projet en électrocatalyse et en SECM et qui a été récemment recruté au CNRS comme (CR1). Ce projet s’inscrit pleinement dans les axes de recherche qu’il souhaite développer ces prochaines années. Le risque du projet est bien équilibré car il repose à la fois sur une approche novatrice et ambitieuse, mais la plus part du savoir-faire est déjà disponible au LISE, il ne manque que compléter l'équipement nécessaire.

Intérêt du projet pour le Labex (1/2 page maximum)

Ce nouvelle appareillage sera installé au LISE, mais les conditions d'accès à l'équipement seront flexibles. En particulier, tous les doctorants ainsi que des chercheurs impliquées dans MATISSE pourront utiliser ce microscope métallographique. En fait, plusieurs collaborations sont déjà en cours pour développer nouvelle expériences et profiter de la grande performance du SECM pour le screening de catalyseurs avec autre chercheurs du Labex MATISSE, comme Juliette Blanchard au LRS et David Portehault au LCMCP.

 

18/01/19

Traductions :

    MATISSE en chiffres

    • 4 disciplines : Chimie, Physique, Sciences de la Terre, Patrimoine
    • 400 permanents

    Contact

    Direction

    Florence Babonneau

     

    Administration

    matisse @ upmc.fr

     

    Communication

    Emmanuel Sautjeau

    emmanuel.sautjeau @ sorbonne-universite.fr