Développement de catalyseurs plurimétalliques multifonctionnels pour l'oxydation électrocatalytique de l'éthanol dans une pile à oxydation directe (DEFC)

Development of platinum-based multimetallic catalysts for the electrooxidation of ethanol in a direct fuel cell (DEFC)

• Auteur / Autrice : Séverine Rousseau
• Direction : Claude Lamy, Jean-Michel Léger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie chimique, biologique et géologique (Poitiers2000-2008)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées (1896-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrocatalyse

Oxydation électrochimique

Piles à électrolyte solide

Chimisorption

Résumé

Les problèmes climatiques liés aux rejets dans l'atmosphère et l'épuisement des ressources pétrolières nécessitent une modification des pratiques énergétiques dans les années à venir. Cette modification passe par le développement de nouvelles sources d'énergie propre telle que la pile à combustible. L'éthanol représente un candidat intéressant au regard de sa grande disponibilité, de sa faible toxicité et de sa grande énergie spécifique. L'éthanol peut être directement oxydé à l'anode d'une pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC), mais son adsorption dissociative sur les sites de platine conduit à la formation d'espèces poisons responsables de la faible activité des catalyseurs. Cette étude s'est donc portée sur la préparation de systèmes plurimétalliques à base de platine par voie colloi͏̈dale. Les techniques électrochimiques ont pu mettre en évidence une diminution de la surtension anodique de 200 mV avec des catalyseurs Pt-Sn et Pt-Sn-Ru supportés sur Vulcan XC-72. Une étude par spectroscopie infrarouge de réflexion couplée à des analyses par chromatographie des produits de réaction a permis d'affiner le mécanisme de la réaction sur les systèmes Pt et Pt-Sn. Le système le plus actif apparaît être le catalyseur Pt-Sn de composition atomique (90 :10) chargé à 60% en masse. Ces conclusions ont été confirmées lors des tests en pile à combustion directe d'éthanol avec une densité de puissance maximale de 62 mW. Cm-2 à 100ʿC. Des anodes de grande surface ont pu être préparées, montrant une bonne activité et une bonne stabilité en conditions piles à combustible.

New technology solutions are required to deal with the global warming, in relation with power consumption but also with the limitations of crude oil reserves. Fuel cells are an electrochemical device that can play a significant role in this strategy. Ethanol is a promising candidate due to its availability, its low toxicity and its high specific energy. Ethanol can be directly used as an anodic fuel for proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). However its dissociative adsorption on platinum sites leads to the formation of poisoning species responsible for the low activity of the catalysts. This study reports the preparation of platinum-based multimetallic systems by the colloidal route. Electrochemical measurements have shown a decrease of the anodic overpotential of 200 mV with Vulcan XC-72 supported Pt-Sn and Pt-Sn-Ru catalysts. Infrared reflectance spectroscopy studies in addition to chromatographic analysis of the reaction products have demonstrated that the reaction mechanism is different with Pt and Pt-Sn catalysts. The Pt-Sn catalyst with a (90:10) atomic composition and a 60 wt. % metal loading appears to be the most active system. Fuel cell experiments have reported a power density of 62 mW cm-2 at 110ʿC. Anodes with a geometric area of 25 cm2 have been prepared, exhibiting a high activity and stability in fuel cell relevant conditions.