Préparation de cathodes Fe-N-C autosupportées par filage électrostatique pour piles à combustible

par Svitlana Yarova

Projet de thèse en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Frédéric Jaouen et de Sara Cavaliere.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier (laboratoire) et de AIME - Agrégats, Interfaces, Matériaux pour l'Energie (equipe de recherche) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    Le projet de recherche comprend la préparation de cathodes Fe-N-C autosupportées préparées par filage électrostatique, la caractérisation structurale de telles électrodes et la caractérisation des performances électrochimiques en pile à combustible à électrolyte polymère, notamment en fonctionnement sous air. L'objectif global est l'amélioration des performances de cathodes Fe-N-C en fonctionnement sous air (pour la réduction électrochimique de l'O2), préparées actuellement par dépôt d'encre comprenant une poudre de catalyseur Fe-N-C et un ionomère conducteur de protons. La structure (porosité, conductivité, inter connectivité) des électrodes sera mieux contrôlée et optimisée en s'affranchissant des limites actuelles de préparation de telles cathodes grâce à une nouvelle approche intégrée de préparation d'électrode autosupportée. Le procédé de fabrication d'électrodes autosupportées partira de la synthèse de catalyseurs Fe-N-C à base de solides hybrides poreux (metal-organic frameworks, MOF), à la croissance cristalline de nanoparticules ou de films minces de MOF incorporant des cations de fer sur des nanostructures de carbone graphitiques, et enfin à la croissance cristalline de nanoparticules de MOF ou films minces sur une architecture carbonée poreuse 3D préexistante avec épaisseur, porosité et taille des macropores contrôlées. Les structures autosupportées seront obtenues par filage électrostatique. Ce processus peut être mis à l'échelle et offre en plus la possibilité de co-injecter simultanément des nanoparticules de MOF, polymères et précurseurs métalliques, ce qui conduira directement à la formation d'un précurseur d'électrode, au lieu d'un précurseur de catalyseur tel qu'utilisé aujourd'hui. La pyrolyse de ce nouveau type de "précurseur d'électrode" conduira à des sites catalytiques à base de fer dispersés uniformément dans une électrode autosupportée et connectés à la matrice carbonée conductrice électronique. Cette structure contiendra de nombreux macropores offrant une diffusion plus rapide de l'oxygène. Ceci est un paramètre critique pour un bon fonctionnement de l'électrode qui doit réduire l'O2 en eau lors du fonctionnement de la pile.

  • Titre traduit

    Self-standing Fe-N-C cathodes prepared by electrospinning for fuel cells


  • Résumé

    The research project entails the preparation of self-standing Fe-N-C cathodes prepared by electrospinning, their structural characterization and electrochemical characterization in polymer electrolyte membrane fuel cell, especially when operating with air. The overall goal is the improvement of the performance of Fe-N-C cathodes when operating with air (for the electrochemical reduction of oxygen). Such cathodes are currently prepared by ink deposition, the ink comprising the Fe-N-C catalyst powder and a proton-conductive ionomer. With a novel approach involving the preparation of self-standing electrodes, the structure of such electrodes (porosity, conductivity, interconnectivity) will be optimized and better controlled, thereby avoiding the current limitations of Fe-N-C cathodes, that are intrinsic to the preparation method. The fabrication of self-standing electrodes will start from the synthesis of Fe-N-C catalysts based on porous hybrid solids (metal-organic frameworks, MOF), to the crystalline growth of MOF nanoparticles or thin films (with embedded iron cations) on graphitic carbon substrates and, eventually, to the crystalline growth of MOF nanoparticles or thin films at a preexisting porous carbon 3D architecture with controlled thickness, porosity and macropore size. The self-standing structures will be prepared by electrospinning procedure. This process can be scaled up and offers the possibility to simultaneously co-inject the MOF nanoparticles, the polymers and metallic precursors, which will directly lead to the formation of an electrode precursor instead of a catalyst precursor, as is currently done. The pyrolysis of this new type of “electrode precursor” will lead to the uniform dispersion of iron based catalytic sites on the self-standing electrode and their connection to the carbonaceous electronically conductive matrix. This structure will contain numerous macropores that will offer faster oxygen diffusion. This is a critical parameter for the proper operation of the electrode, whose function is to reduce O2 into water when the cell operates.