Activité électrocatalytique de nano-objets carbonés

par Ndrina Limani

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Bruno Jousselme et de Renaud Cornut.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes , en partenariat avec NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie - DRF/IRAMIS (laboratoire) , Laboratoire Innovation en Chimie de Surface Et Nanosciences (equipe de recherche) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 07-10-2019 .


  • Résumé

    L'avenir de notre approvisionnement en énergie dépend de notre capacité à innover dans la mise au point de systèmes de conversion et de stockage de l'énergie. Dans ce domaine, les matériaux électrocatalytiques sont la pierre angulaire de nombreux défis -en particulier pour les piles à combustible- car ils offrent des solutions adaptées pour effectuer efficacement des réactions chimiques complexes. Le projet introduit et met en œuvre une nouvelle stratégie s'appuyant sur la microscopie électrochimique et la simulation numérique pour trouver de nouvelles briques élémentaires à bas coût : l'analyse combinée de nano-objets doit permettre d'identifier de nouvelles espèces électro-catalytiques, ce qui permettra au final de proposer des dispositifs ayant des performances améliorées. En ce qui concerne le développement des véhicules électriques, la PEMFC (pile à combustible à membrane échangeuse de protons) est une alternative prometteuse et non polluante au moteur thermique classique. De nombreux constructeurs automobiles développent des véhicules commerciaux à hydrogène utilisant la technologie PEMFC, mais une production de masse nécessitera une réduction de leur coût, par une réduction de la dépendance au platine (Pt). Le Pt étant un métal très coûteux, le développement de couches actives efficaces et sans platine est aujourd'hui le principal défi de la réduction des coûts de la PEMFC. Le projet comprend ainsi des études par microscopie à sonde électrochimique pour cartographier l'activité électro-catalytique de particules de catalyseurs individuelles, grâce à la modélisation par méthode des éléments finis. L'accent sera mis sur la catalyse de la réaction de réduction de l'oxygène dans les milieux acides de nanomatériaux sans Pt. Pour ce travail, le doctorant devra (i) fabriquer les substrats par évaporation d'Or sur des wafers de SiO2 (ii) déposer les nanoobjets fonctionnels par differentes méthodes et dans différentes conditions pour avec une bonne dispersion (iii) réaliser l'analyse multitechnique de la surface: MEB, AFM, SECM et éventuellement SECCM seront effectués sur la même zone (iv) intérpréter les résultats de SECM à l'aide de la simulation numérique, considérant la géométrie exacte telle qu'elle a été étudiée par MEB et par AFM.

  • Titre traduit

    Nanoscale electrocatalytic activity at carbon nanostructures


  • Résumé

    The future of our energy supply depends on our ability to innovate in the development of energy conversion and storage systems. In this field, electrocatalytic materials are the cornerstone of many challenges, particularly for fuel cells, as they offer the appropriate solutions to efficiently perform complex chemical reactions. The project introduces and implements a new strategy based on electrochemical microscopy and numerical simulation to find new inexpensive elementary bricks: the combined analysis of nano-objects will allow identifying new electrocatalytic species, allowing the design of more efficient devices. Regarding the development of electrical vehicles, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) is a promising and not polluting alternative to classical thermal engine. Numerous car manufacturers are developing commercial hydrogen vehicles using PEMFC but mass production requires reducing their cost by lowering the platinum (Pt) dependency. Pt being a highly expensive metal, development of Platinum-free (Pt-free) efficient active layers is thus the major challenge for reducing cost of PEMFC. The project involves electrochemical probe microscopy to map the electrocatalytic activity of individual catalysts particles, intrepreted thanks finite element method modelling. The focus will be on Oxygen reduction reaction catalysis in acidic media of Pt-free nanomaterials. For this, purpose, the PhD candidate will be in charge of (i) the substrate fabrication by metal evaporation on SiO2 wafers, (ii) the nanomaterial deposition with various techniques and conditions in order to have well dispersed nanomaterials (iii) the multitechnique imaging ot the sample: SEM, AFM, SECM and SECCM will be performed on the same zones, and (iv) Interpretation of the SECM results, through numerical simulations considering the exact geometry of the nano-objects as evaluated with SEM and AFM.