Comprendre la réaction de libération d'oxygène (OER) pour les oxydes / hydroxydes de métaux de transition à base de Co dans les électrolytes alcalins

Understanding the oxygen evolution reaction (OER) for Co based transition metal oxides / hydroxides in alkaline electrolytes

• Auteur / Autrice : Yan Duan
• Direction : Alexis Grimaud, Zhichuan Xu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 19/03/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Nanyang Technological University (Singapour)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie du solide et de l'énergie (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Zhong Chen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christel Laberty-Robert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yan Ning, Zongping Shao
• DOI : 10.70675/35f0996az56a7z4a9ezbd99z35fb8b0a4b4d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs au cobalt

Électrolytes

Électrocatalyse

Métaux de transition

Oxydation

Surfaces

Mots clés libres

Oxydes à base de Co

Hydroxydes à base de Co

OER

Électrolytes alcalins

Propriétés des matériaux

Propriétés de surface des matériaux

Propriétés interfaciale

Co based oxides

Co based hydroxides

OER

Alkaline electrolyte

Properties of materials

Surface properties of materials

Interfacial properties

Résumé

Le développement d'électrocatalyseurs efficaces pour la réaction de libération d'oxygène (OER) est important pour améliorer l'efficacité globale du processus d'électrolyse de l'eau. Les oxydes / hydroxydes de métaux de transition présentent une activité et une stabilité raisonnables lorsqu’utilisés dans un milieu alcalin. Ils ont le potentiel de remplacer les oxydes à base d'Ir et de Ru. Comprendre la réaction d’OER pour les oxydes / hydroxydes de métaux de transition dans les électrolytes alcalins aide à la conception d'électrocatalyseurs peu coûteux et très efficaces. Avec trois travaux différents sur les oxydes / hydroxydes à base de Co, cette thèse approfondit la compréhension des propriétés de surface des matériaux et des propriétés interfaciales sur la cinétique de la réaction d’OER. Tout d'abord, la substitution au fer régule par exemple la configuration des cations métalliques dans LaCoO3. Cela ajuste la covalence de la liaison oxygène 2p – métal 3d et améliore les performances. Deuxièmement, la substitution au Ni dans ZnCo2O4 modifie la position relative du centre de la bande O 2p et du centre de la bande métallique dans un environnement octahédrique MOh. Cela modifie la stabilité et la possibilité pour l'oxygène du réseau de participer à la réaction de dégagement d’oxygène. Enfin, en étudiant les séries La1-xSrxCoO3, CoOOH et CoOOH contenant Fe, l'impact de l'électrolyte sur les paramètres de la cinétique de réaction a été exploré. Avec une meilleure compréhension de la façon dont les propriétés des matériaux et l'environnement dynamique influencent l'activité et le mécanisme des OER, nous pouvons obtenir des catalyseurs de OER plus efficaces pour une meilleure infrastructure énergétique.

The development of efficient electrocatalysts to lower the overpotential of oxygen evolution reaction (OER) is of fundamental importance in improving the overall efficiency of fuel production by water electrolysis. Among a plethora of catalysts being studied on, transition metal oxides / hydroxides that exhibit reasonable activity and stability in alkaline electrolyte have been identified as catalysts to potentially overpass the activity of expensive Ir- and Ru- based oxides. Understanding the OER for transition metal oxides / hydroxides in alkaline electrolytes paves the way for better design of low cost and highly efficient electrocatalysts. This dissertation, with three different work on Co-based oxides / hydroxides, studies and deepens the understanding of the bulk properties, surface properties of materials and interfacial properties on OER. Firstly, with Fe substitution, it addresses tuning the eg configuration of metal cations in LaCoO3 where adjusting the metal 3d oxygen 2p covalency can bring benefits to the OER performance. Secondly, with Ni substitution in ZnCo2O4, it demonstrates a change in relative position of O p-band and MOh d-band centre which induces a change in stability as well as the possibility for lattice oxygen to participate in the OER. Finally, with La1-xSrxCoO3 series, CoOOH and Fe-containing CoOOH as examples, the impact of the electrolyte has been explored by the study of reaction kinetics parameters. With a better understanding of how material properties and dynamic environment influence the OER activity and mechanism, we can obtain more efficient OER catalysts for better energy infrastructure.