Development of novel catalytic layers with controlled architecture based on aligned carbon nano-filaments for fuel cell applications

par Pavel Ruvinskiy

Thèse de doctorat en Chimie physique et électrochimie

Sous la direction de Elena R. Savinova.

Soutenue en 2011

à Strasbourg .

  • Titre traduit

    Développement de nouvelles couches catalytiques d'architecture contrôlée à base de nanofibres de carbone alignées en vue d'une application aux piles à combustible


  • Résumé

    L'objectif de ce travail est le développement de couches catalytiques ordonnées en trois dimensions possédant une architecture contrôlée pour une application en pile à combustible et l’étude des propriétés electrocatalytiques de ces couches vis à vis de la réduction de l'oxygène, l'oxydation de l'hydrogène et de l'oxydation du monoxyde de carbone. Ce travail a été abordé par la préparation de couches catalytiques à base de nanoparticules du Pt déposées sur des nanofilaments de carbone verticalement alignés (Pt/VACNF). Ces couches catalytiques ont été considérées à la fois comme système modèle pour l'étude de la cinétique de réactions électrochimiques complexes et comme un système nouveau possédant des propriétés intéressantes en vue d'une 'utilisation dans les piles à combustible. La croissance des couches de VACNF a été effectuée à l'aide d'uneméthode de dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un mélange de toluène et d'un catalyseur leferrocène. Les VACNF ainsi obtenues ont servi de substrat pour le dépôt de Pt en utilisant diverses méthodes chimiques et électrochimiques. Les couches Pt/VACNF ont été caractérisées parpar différentes techniques physiques (MET, MEB) et électrochimiques (CV). Afin de mieux comprendre les interactions entre la cinétique de réaction et les phénomènes de transport dans ces nouvelles architectures catalytique spatiallement ordonnées, nous avons étudié dans un premier temps les performances electrocatalytiques de ces couches vis à vis de l'oxydation de l'hydrogène, la réduction de l'oxygène et la réaction d'oxydation du CO en électrolyte liquide en utilisant une électrode à disque tournant et une électrode disque-anneau et comparé les résulats avec une modélisation mathématique de l'activité de ces nouvelles couches catalytiques. Ces études nous ont permis de comprendre l'influence des paramètres structuraux de ces couches catalytiques tels que l'épaisseur de la couche catalytique et le taux de couverture en Pt sur les nanofilaments sur leurs performances, le facteur d'efficacité d'utilisation du platine, ainsi que sur des réactions ayant une cinétique non-linéaire bistable (réaction d’oxydation du CO). Enfin, une nouvelle approche a été développée pour la préparation d'assemblage membraneélectrodes à base de VACNF sans perte de l'alignement. Ce travail a consisté dans la mise au point une procédure de croissance des VACNF et de dépôt de Pt sur des substrats de grandes dimensions dans le développement des méthodes de production d'assemblages membrane électrode non destructives.


  • Résumé

    The aim of the present work is the development of novel 3D ordered catalytic layer architectures for fuel cell applications and their investigation in fuel cell related reactions such as oxygen reduction, hydrogen oxidation and CO oxidation reaction. This task is addressed via the preparation of catalytic layers based on Pt nanoparticles supported on vertically aligned carbon nano-filaments (Pt/VACNF). These catalytic layers were utilized both as a tool for gaining insights into the complex electrochemical reactions and as novel systems with promising activity for the use in PEM fuel cells. The growth of the arrays of the VACNF was performed using catalytic chemical vapor deposition from ferrocene/toluene mixture. Thus obtained systems were used as substrates for Pt deposition using various chemical and electrochemical methods. The obtained catalytic layers were investigated using a set of physical (TEM, SEM) and electrochemical (CV) tools. In order to get an insight into the complex interplay between the reaction kinetics and diffusion phenomena in these novel catalytic architectures we have currently chosen to study the hydrogen oxidation, the oxygen reduction and the CO oxidation reaction in liquid electrolyte using rotating disc and ring-disc methods coupled with mathematical modeling. These studies allowed understanding the influence of the key parameters such as the thickness of the catalytic layer and the Pt coverage on the performance of the catalytic layers, on the effectiveness of the Pt utilization as well as on bistable phenomena (as studied for dissolved CO oxidation). Finally, an approach has been developed for the incorporation of VACNF into MEA without loss of alignment. This work necessitated the scale-up of the growth procedure, Pt deposition, as well as required to establish the methods of a nondestructive membrane-electrode assembly production.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XXI-232 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 205-222

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2011;0906
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