Particules creuses peu expensives, durables et actives pour la réduction de l'oxygène dans le cadre d'une application en pile à combustible à membrane échangeuse de protons

Hollow nanoparticles for low cost, high oxygen reduction reaction activity and durability for proton exchange membrane fuel cell application

• Auteur / Autrice : Tristan Asset
• Direction : Frédéric Maillard, Nathalie Job, Laetitia Dubau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 26/09/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université de Liège
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Marian Chatenet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laetitia Dubau, Cédric Gommes, Christophe Coutanceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elena R. Savinova, Aliaksandr Bandarenka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Nanoparticules

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

PEMFC

Creuses

Nanoparticules

Oxygène

Pemfc

Hollow

Nanoparticles

Oxygen

Structural Defects

Alloy

Résumé

Cette thèse a pour but de discuter les mécanismes à l’origine de la for-mation, de l’activité pour la réduction de l’oxygène (ORR) et de la sta-bilité de nanoparticules (NPs) creuses à base de Pt supportées sur car-bone pour des applications en pile à combustible à membrane échan-geuse de protons (PEMFC). La formation et la croissance des NPs, syn-thétisées par une méthode dite ‘one-pot’, ont été étudiées par l’inter-médiaire de mesures microscopiques, électroniques et de diffraction, nous permettant ainsi de mettre en évidence les différentes étapes de la synthèse. Le procédé de synthèse a été étendu à différents métaux non nobles (M = Ni, Co, Cu, Zn and Fe) et à différents supports carbonés. L’activité supérieure des NPs pour l’ORR résulte (i) de la contraction du paramètre de maille induit par la présence du métal non-noble, (ii) de leur porosité ouverte et (iii) de la densité de défauts structuraux à la surface des NPs (rationalisée via COads stripping et analyse de Riet-veld). Les défauts structuraux se seront montrés plus stables que le mé-tal non-noble durant les tests de vieillissement accéléré.

This thesis investigates the mechanisms driving the formation, the en-hanced activity for the oxygen reduction reaction (ORR) and the dura-bility of porous hollow PtM/C nanoparticles (NPs) for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) applications. The formation and growth of the NPs, synthesized by a ‘one-pot’ process, were discussed in the light of microscopic, in operando X-ray and electronic measurements, unveiling the different intermediate steps of the synthesis. The synthe-sis process was extended to different non-noble metals (M = Ni, Co, Cu, Zn and Fe) and to different carbon supports. The enhanced activity for the ORR resulted from (i) the contraction of the lattice parameter by the non-noble metal (the final NPs contains ca. 15 – 20 at. % of M), (ii) the open porosity and (iii) the density of structural defects at the surface of the NPs, rationalized by COads stripping measurments and Rietveld analysis. The non-noble metal was found to segregate faster than the structural defects during the accelerated stress tests.