Catalyseurs nanostructurés pour la production électrocatalytique durable d'hydrogène

Ce projet est une contribution à la transition énergétique que notre société doit mener à bien pour faire face au changement climatique, conséquence d'une demande énergétique mondiale en constante augmentation. Il porte sur l'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène, une source d'énergie prometteuse, que ce soit pour une utilisation directe en tant que combustible ou pour la production de carburants. Dans le domaine de l'aéronautique, l'hydrogène est considéré comme une source alternative d'énergie clé pour décarboner l'aviation, selon deux modes d'utilisation : pile à combustible (transformation de l'hydrogène en électricité pour des moteurs électriques) et combustion directe dans les turboréacteurs, pour des applications dans des avions de petites et grandes dimensions, respectivement. En outre, ce projet proposer de pallier les limites liées à l'utilisation d'eau purifiée et aux conditions extrêmement acides ou basiques des technologies PEM (membrane à échange de protons) et AEM (membrane à échange d'anions, en développant des systèmes électrocatalytiques capables de fonctionner directement avec des sources d'eau non conventionnelles telles que les eaux usées ou l'eau de mer. Le défi de recherche est double, portant à la fois sur les enjeux énergétiques -pour des applications en aéronautique, et hydriques, afin de permettre une production d'hydrogène durable tout en contribuant à la gestion des ressources en eau. L'électrolyse de l'eau provenant de sources non purifiées soulève des problèmes scientifiques majeurs : (1) la réaction d'évolution du chlore (CER), en particulier dans l'eau de mer en raison de la présence d'espèces chlorées comme le NaCl, qui entre en concurrence avec la réaction d'évolution de l'oxygène (OER) et produit du chlore corrosif et toxique ; (2) l'empoisonnement du catalyseur résultant de la présence d'impuretés telles que des sulfures, des composés organiques ou d'autres métaux ; et (3) la précipitation de sels insolubles, tels que des carbonates ou des hydroxydes, sur les électrodes. Pour relever ces défis, le projet se concentrera sur la conception d'électrocatalyseurs innovants à base de nanoparticules de métaux de transition non critiques (Ni, Fe, Co), spécialement conçus pour favoriser la sélectivité cinétique en faveur de l'OER par rapport à la CER, tout en conservant une activité catalytique élevée et une grande robustesse. La nanostructuration des métaux présente des avantages clés : un rapport surface/volume élevé conduisant à un grand nombre de sites actifs, une réduction de la charge en métal et une adaptabilité de la surface grâce à la fonctionnalisation. Ces caractéristiques permettent d'améliorer les performances catalytiques et la résistance à l'empoisonnement. Outre l'étude de la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER) à la cathode, un second objectif consistera à évaluer ces nanomatériaux dans des réactions d'oxydation alternatives à l'OER à l'anode, notamment l'oxydation de polluants organiques (par exemple l'urée, les sulfures, les alcools). L'ambition est de réduire la consommation d'énergie de l'ensemble du processus d'électrolyse pour la production d'hydrogène vert à la cathode tout en dégradant des polluants de l'eau à l'anode. Ce projet est multidisciplinaire : nanochimie, science des matériaux, ingénierie des catalyseurs, électrochimie, chimie de l'environnement et énergie. Il vise à faire le lien entre la compréhension fondamentale des performances catalytiques et le développement d'un électrolyseur d'eau fonctionnant dans des conditions réalistes. Le projet se prête à un doctorat conjoint entre deux groupes universitaires dynamiques (expertise en nano-ingénierie, caractérisation de nanomatériaux par des techniques avancées, électrocatalyse, applications). École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Direction : Karine PHILIPPOT Financement : MSCA COFUND BEST