Modification de supports carbonés pour catalyseurs de pile à combustible par greffage de molécules à propriétés spécifiques

par Martin Weissmann

Thèse de doctorat en Chimie théorique, physique, analytique

Sous la direction de Christophe Coutanceau et de Stève Baranton.

Soutenue en 2009

à Poitiers .


  • Résumé

    La modification de supports carbonés par des fonctions chimiques affecte notablement les propriétés de surface du matériau de départ. Celle-ci peut être menée par différentes méthodes : oxydation du support, ou greffage par réduction d'un synthon. Cette dernière méthode permet de conserver l'intégrité du substrat carboné, et semble de ce fait plus attractive. La réalisation de couches greffées de molécules sur une surface de carbone est effectuée par réduction d'ions diazonium ou iodonium. Cette réduction aboutie à la formation de radicaux, qui vont, au contact de surfaces carbonées, établir des liaisons covalentes avec le support. En sélectionnant judicieusement les fonctions terminales des groupements greffés, il est possible d'influer sur le comportement des couches actives de PEMFC, tel que le caractère hydrophile/hydrophobe, l'interaction platine/support ou encore l'attribution de caractéristiques de conduction ionique. Dans ce contexte, des couches greffées de groupements thiophénol ont été réalisées afin de renforcer l'accroche des nanoparticules de platine au support ; une limitation du processus de migration des nanoparticules ayant lieu avant le phénomène de frittage a été observée. Des carbones fonctionnalisés par des groupements acide 4-benzènesulfonique et 4-(trifluorométhyle)phényle ont été utilisés dans le but d'augmenter ou de diminuer la mouillabilité des couches actives. Enfin la possibilité de greffer des chaînes alkynyle ouvre la voie à l'attribution de caractéristiques de conduction ionique dans le but d’optimiser l'utilisation du catalyseur au sein des couches actives.

  • Titre traduit

    Modification of carbon surfaces for the improvement of Fuel Cell catalytic layers


  • Résumé

    The modification of carbon substrates by chemical functions significantly affects the surface properties of the material. These changes can be carried out by different methods: oxidation of the support, or grafting of molecules by reduction of a synthon. This last method seems more attractive because it helps to maintain the integrity of the support. The realization of grafted layers on carbon surface is carried out by reduction of diazonium or iodonium ions. This reduction results in the formation of radicals, which react with carbon surface to form a covalent bond. This method allows grafting a large variety of molecules; by selecting appropriate terminal groups it is possible to change different characteristics of the active layer of PEMFC electrodes, such as the hydrophobic / hydrophilic properties, platinum / support interactions and ionic conductivity. In this context, thiophenol grafted layers were realized to strengthen the anchorage of platinum nanoparticles on carbon support, limiting the migration of nanoparticles in course of sintering process. Carbon functionalized with benzenesulfonic acid groups and trifluoromethylbenzene groups were used to adjust the wettability of active layers, in order to improve water management in fuel cells. Grafted layers of alkynyl groups with ionic end functions could also be performed to confer ionic conductivity (protons or hydroxyls) to the catalyst support, in order to improve the use of catalyst in fuel cell electrodes.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (171 p.)
  • Annexes : Bibliogr. 159 réf.

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