Production électrochimique de CO et O2 par électrolyse du CO2 dans l’eau à l’aide de métaux abondants : de la conception de catalyseurs moléculaires sélectifs, stables et efficaces à l'assemblage d'une cellule complète

Electrochemical CO2 splitting into CO and O2 in neutral water using earth-abundant materials : from molecular catalysts to a whole electrolyzer

• Auteur / Autrice : Arnaud Tatin
• Direction : Marc Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Électrochimie moléculaire et biologique
• Date : Soutenance le 29/11/2016
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Électrochimie Moléculaire (Paris) (1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Savéant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Robert, Jean-Michel Savéant, Elsje Alessandra Quadrelli, Marc T. M. Koper, Régis Réau, Fabien Auprêtre, Claire Fongy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elsje Alessandra Quadrelli, Marc T. M. Koper

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Liaisons chimiques

Énergies renouvelables

Électrolyseurs

Porphyrines

Électricité -- Production

Monoxyde de carbone

Voltamétrie

Dioxyde de carbone

Mots clés libres

Électrocarburants

Voltammétrie cyclique

Electrofuels

Cyclic voltammetry

Résumé

L'énergie électrique (de préférence d’origine renouvelable) peut être stockée dans des liaisons chimiques grâce à un électrolyseur approprié. Les réactions typiques comprennent la production d'hydrogène, la production d'hydrocarbures et la synthèse d'ammoniac. Ces électrocarburants permettent de faciliter l'intégration de sources d'énergie renouvelables dans le mix de production électrique. Ils sont compatibles avec l'infrastructure industrielle actuelle et la chaîne d'approvisionnement et peuvent être stockés facilement. En outre, ce procédé est à la fois un moyen de stocker l'électricité dans des liaisons chimiques (vecteurs énergétiques) et une technique de synthèse de composés chimiques à partir de matières premières comme le CO2 plutôt que de ressources fossiles.La thèse s’intéresse au développement de nouveaux catalyseurs moléculaires pour la conversion sélective du CO2 en CO en utilisant uniquement des matériaux abondants sur Terre, comme les porphyrines de Fer. Tout d'abord, les tentatives pour obtenir de nouveaux catalyseurs avec divers substituants sont détaillées. Une fois qu'un catalyseur hydrosoluble actif est identifié, une évaluation des performances est réalisée en utilisant des techniques électrochimiques telles que la voltammétrie cyclique

Electrical energy (preferably issued from renewable sources) can be stored in chemical bonds thanks to an appropriate electrolyzer. Typical reactions include hydrogen generation, the production of hydrocarbons and oxygenates, and ammonia synthesis. Such electrofuels supplement the integration of renewable energy sources in the electrical production mix; they are compatible with the current industrial infrastructure and supply chain, while they can be stored easily. Besides, they may be used either as a means to store the electricity in the chemical bonds of high-energy-content molecules or as various feedstocks to manufacture high value compounds.The thesis focused on the development of new molecular catalysts for the selective CO2-to-CO conversion in water using only earth-abundant materials, namely iron-based porphyrin derivatives. First, successful and unsuccessful attempts to derive new catalysts with various substituents are reviewed. Once an active water-soluble catalyst is identified, a performance assessment is completed using electrochemical techniques such as cyclic voltammetry investigations.Then, the immobilization of said catalysts onto the electrode surface is discussed. Once a robust integration in the catalytic film is secured, the coupling with a heterogeneous water-oxidation catalyst can be considered. The subsequent assembly of a whole electrolysis cell is reported, where a cobalt-based film was picked for the anode. Finally, economic perspectives provide a clear, rational basis for future optimization of the device