• Langue : Anglais
• Discipline : Micro-nanosystèmes et capteurs
• Identifiant : 2024ULILN027
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 09/09/2024

Résumé en langue originale

La crise énergétique mondiale et la dégradation de l'environnement sont exacerbées par la consommation importante de combustibles fossiles. L'hydrogène (H2) apparaît comme une solution énergétique durable en raison de sa densité énergétique élevée (142,351 MJ kg-1) et sa faible empreinte environnementale. Le fractionnement électrochimique de l'eau, alimenté par une énergie renouvelable, offre une alternative plus propre et plus durable aux méthodes utilisant des combustibles fossiles. Toutefois, des difficultés telles que le coût élevé, la faible efficacité et l'instabilité des catalyseurs entravent la production électrolytique d'hydrogène à partir de l'eau. Le développement d'électrocatalyseurs multifonctionnels à haute performance, à faible coût et durables est alors crucial pour les futurs systèmes énergétiques intégrés. Les MXènes, une nouvelle classe de carbures ou nitrures bidimensionnels à base de métaux de transition, ont attiré l'attention en électrochimie et sont prometteurs en tant que matériaux de support pour les catalyseurs en raison de leurs propriétés telles qu'une conductivité élevée, une résistance à la corrosion et de bonnes propriétés de surface (hydrophilie).L'objectif de ma thèse de doctorat est de préparer des catalyseurs stables, efficaces et bon marché à base de MXène pour produire de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Sur cette base, ces matériaux catalytiques pourraient être aussi utilisés pour l'électrolyse de l'eau de mer, ce qui permettrait de remédier aux pénuries d'énergie dans les régions où les ressources en eau douce sont limitées. En outre, le potentiel de ces catalyseurs pour l'électrolyse des eaux usées contenant des impuretés (urée, formaldéhyde, etc.) est exploré, afin de produire de l'H2 en utilisant le moins d'énergie possible tout en éliminant les contaminants. Compte tenu de cet objectif, l'ensemble de mon parcours doctoral se résume de la manière suivante.Tout d'abord, de nanoparticules de RuO2 ont été déposées par électrolyse sur des feuillets de Ti3C2 chargés sur une mousse de nickel (RuO2-Ti3C2/NF). Le composite ainsi préparé a une structure poreuse qui est favorable pour le transport de charges et de la matière, stimulant l'activité catalytique et réduisant le surpotentiel, ce qui est crucial pour prévenir l'empoisonnement par le chlore lors de l'électrolyse de l'eau de mer. Le RuO2-Ti3C2/NF a démontré des performances exceptionnelles dans la réaction de dégagement de l'hydrogène (HER), la réaction de dégagement de l'oxygène (OER) et d'électrolyse de l'eau, même dans de l'eau de mer simulée ou réelle. Dans la deuxième partie de mon travail, un nouveau composite Co3O4/Ti3C2 MXene, synthétisé dans des conditions douces, a été utilisé comme électrocatalyseur très efficace et stable pour la réaction d'oxydation de l'urée (UOR) et l'HER dans un milieu alcalin (1M KOH). Le Co3O4/Ti3C2 MXene est plus efficace que ses constituants i.e. Ti3C2 MXene et le Co3O4, surmontant des problèmes tels que l'exposition inadéquate du site actif et l'agglomération des particules. Ces résultats ont permis de développer une nouvelle stratégie pour l'application de matériaux abondants et bon marché pour la production d'H2 à faible consommation d'énergie couplée à la purification des eaux usées contenant de l'urée. Enfin, un matériau hybride à base de MXène MO2TiC2 et de nanofleurs de Cu2O a été synthétisé par une méthode d'immersion. Il a été utilisé comme électrocatalyseur pour la génération de H2 couplée à la réaction d'oxydation du formaldéhyde. Cette stratégie de couplage permet de produire de l'hydrogène à la fois à la cathode et à l'anode tout en réduisant la consommation globale d'énergie électrique de la cellule d'électrolyse. À chaque étape, les nouveaux matériaux préparés ont été systématiquement caractérisés par plusieurs techniques (XRD, XPS, microscopie électronique à balayage et à transmission, spectroscopie Raman).

Résumé traduit

The global energy crisis and environmental degradation are exacerbated by extensive fossil fuel consumption, still comprising 80% of global energy usage. Carbon-free hydrogen (H2) emerges as a sustainable energy solution, due to its high energy density (142.351 MJ kg-1) and zero pollution. Water splitting, powered by renewable energy, offers a cleaner and more sustainable alternative to fossil fuel methods like steam methane reforming and coal gasification. However, challenges, such as high cost, low efficiency and instability of catalysts, hinder electrolytic hydrogen generation from water. Developing multifunctional electrocatalysts with high performance, low cost, and durability is crucial for future integrated energy systems. Noble metals (Pt, Ru, Ir) exhibit excellent catalytic activity but are costly and scarce. Transition metal-based (Fe, Co, Ni) catalysts offer alternatives, but face issues like agglomeration and insufficient active site exposure. Discovering a nanomaterial with large surface area and conductivity to support both noble and transition metal particles could significantly reduce catalyst costs and enhance performance. MXenes, a new class of two-dimensional transition metal-based carbides or nitrides, have gained attention in electrochemistry and show promise as a support material for catalysts for electrolytic water splitting due to properties like high conductivity, corrosion resistance, surface hydrophilicity and chemical stability.The objective of my PhD thesis is to prepare stable, efficient, and affordable MXene and MXene-based catalysts for producing hydrogen through water electrolysis. On this basis, the catalyst materials would be also used to electrolyze seawater, addressing energy shortages in regions with limited freshwater resources. Further, their potential to electrolyze impurity-containing (urea, formaldehyde and so on) wastewater is explored, generating H2 with the lowest possible energy consumption while removing contaminants. Considering that objective, my overall doctoral journey is summarized in the following manner.Firstly, tiny RuO2 particles were electrodeposited onto single- or few-layered Ti3C2 sheets loaded on nickel foam (RuO2-Ti3C2/NF). This created an open nanostructure, enhancing charge and mass transport, boosting catalytic activity, and reducing overpotential, crucial for preventing chlorine poisoning in seawater conditions. RuO2-Ti3C2/NF showed outstanding performance in hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER), and overall water splitting, even in simulated and real seawater. With a stability of 25 hours in seawater splitting and nearly 100% Faradaic efficiency, it proved effective for seawater electrolysis, offering a solution for energy scarcity in areas with limited freshwater.Secondly, a novel Co3O4/Ti3C2 MXene composite, synthesized under mild conditions, serves as a highly efficient and stable electrocatalyst for both urea oxidation reaction (UOR) and HER in basic conditions. It surpasses pure Ti3C2 MXene and Co3O4, overcoming issues like inadequate active site exposure and particle agglomeration. This work provided a new strategy for the application of cheap abundant materials for energy-saving H2 production coupled with urea containing wastewater purification. Finally, a MO2TiC2 MXene cluster complex supported by Cu2O nanoflowers was synthesized by a simple immersion method. It was used as an electrocatalyst for HER coupled with formaldehyde oxidation reaction. This coupling strategy realizes hydrogen production at both cathode and anode while reducing the overall electrical energy consumption of the cell for more efficient H2 synthesis. At each stage, the new materials obtained were deeply characterized by several techniques (XRD, XPS, scanning and transmission electron microscopies, Raman spectroscopy.).