Performance d'électrodes à oxygène à structures contrôlées et préparées par imprégnation de solutions, pour application dans des électrolyseurs à température intermédiaire de la vapeur d'eau

par Aurélien Azam

Projet de thèse en Physico-Chimie de la Matière Condensée

Sous la direction de Jean-Marc Bassat et de Jérôme Laurencin.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde) , en partenariat avec ICMCB - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (laboratoire) et de Oxydes et Électro-Céramiques Architecturées pour l'Énergie et l'Électronique (equipe de recherche) depuis le 03-04-2019 .


  • Résumé

    L'électrolyse haute température de la vapeur d'eau, utilisée pour les cellules tout-solide à oxydes, est considérée comme un candidat prometteur à la production de dihydrogène (H2) ou de gaz mixtes (H2+CO) avec une faible empreinte carbone. Grâce à ses hautes températures de fonctionnement, l'électrolyse haute température peut atteindre de très grands efficacités électriques pour l'électrolyse de la vapeur d'eau et/ou du dioxyde de carbone. Cependant, avant de prendre en considération leur déploiement industriel, les performances des cellules tout-solide à oxydes, ainsi que leur durabilité et leur coût, ont encore besoin d'être améliorés. Les performances des cellules ne sont pas uniquement induites par des propriétés intrinsèques des matériaux, elles sont fortement reliées aux microstructures de l'électrode et aux propriétés interfaciales entre l'électrode et l'électrolyte. Dans ce cadre, le design microstructural d'électrodes d'oxygène avec pour matériaux le La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) et le La2-xPrxNiO4+δ (x= 0.5 ou 1, LPNO) est considéré actuellement comme une solution prometteuse pour les prochaines générations de cellules tout-solide à oxydes. La voie de fabrication par imprégnation, développée ces dernières années au CNRS/ICMCB, est une méthode innovante pour architecturer une électrode au design contrôlé. Le principe est d'infiltrer un squelette poreux de Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO, sérigraphié au préalable sur un électrolyte dense, au moyen d'une solution de nitrates (aqueuse ou alcoolique, contenant les différents cations). Il a été montré que l'optimisation des paramètres de conception ont pour effet potentiel de diminuer la résistance de polarisation, cela même à des températures de travail plus faibles (T<600°C), pour différents composés tels que le Pr6O11, le Pr2NiO4+δ et le La2NiO4+δ. Ces matériaux sont étudiés depuis des années au CNRS/ICMCB, mais jusqu'à présent leurs propriétés électrochimiques intéressantes n'ont jamais été précisément modélisées. Au cours de la thèse, un effort spécifique sera apporté afin de mieux appréhender l'impact des microstructures sur les mécanismes réactionnels complexes qui se déroulent au sein d'une électrode imprégnée. De plus, le rôle de l'oxygène additionnel dans le LPNO comparé au conventionnel LSCF en tant qu'électrocatalyseur dans le squelette de CGO sera également évalué.

  • Titre traduit

    Performance of structured oxygen electrodes prepared by impregnation of solutions for Solid Oxide Electrolysis Cells


  • Résumé

    High Temperature Steam Electrolysis (HTSE) using Solid Oxide Cells (SOCs) is considered as a promising candidate to produce hydrogen (H2) or syngas (H2+CO) with low carbon foot print. Thanks to the high operating temperature, HTSE can reach very high electrical efficiencies for the steam and/or carbon dioxide electrolysis. However, before considering their industrial deployment, the SOCs performances, durability and cost still needs to be improved. The SOCs performances are not only due to intrinsic properties of materials but they are also strongly related to the electrode microstructures and the properties of the electrode/electrolyte interface. In this frame, the microstructural design of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) and La2-xPrxNiO4+δ (x= 0.5 or 1, LPNO) oxygen electrodes is considered nowadays as a promising solution for the next generation of SOCs. The impregnation manufacturing route, which has been developed at CNRS/ICMCB during the last three years, is an innovative method for architecturally designed electrode. It consists of infiltrating a nitrates solution (aqueous or alcoholic containing the different cations) into a Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO) porous backbone, itself previously layered by Screen Printing (SP) onto a dense YSZ electrolyte. It has been shown that the optimization of the manufacturing parameters results in a decrease of the polarization resistance, even at low operating temperature (T<600°C), for several compounds such as Pr6O11, Pr2NiO4+δ and La2NiO4+ δ . These materials have been studied for long time at CNRS/ICMCB, but until now their interesting electrochemical properties have never been precisely investigated by modelling. In the thesis, a specific effort will be paid to better understand the impact of microstructure on the complex reaction mechanisms of an infiltrated electrode. Moreover, the role of additional oxygen in LPNO compound compared to the classical LSCF when used as electro-catalyst in a CGO scaffold will be also investigated.