Développement par PECVD de membranes conductrices protoniques de type phosphonique pour la production d’hydrogène par (photo-)électrolyse de l’eau

Development by PECVD of phosphonic acid-type proton conductive membranes for hydrogen production by water (photo-)electrolysis

• Auteur / Autrice : Arnaud Kinfack leoga
• Direction : Stéphanie Roualdes, Vincent Rouessac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physico-chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 09/10/2018
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Patrice Huguet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Roualdes, Vincent Rouessac, Patrice Huguet, Janick Bigarre, Fabienne Poncin-Epaillard, Stéphane Marais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Janick Bigarre, Fabienne Poncin-Epaillard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Électrolyse

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Mots clés libres

Pecvd

Membrane phosphonique

(Photo-)électrolyse

Production d'hydrogène

Pecvd

Phosphonic membrane

(Photo-)electrolysis

Hydrogen production

Résumé

Le but de ces travaux était de développer des membranes conductrices protoniques de type phosphonique par PECVD radio-fréquence en décharges continue et pulsée à partir du mono-précurseur diméthyl allylphosphonate. De telles membranes sont pressenties comme pouvant avantageusement remplacer la membrane Nafion® ou les membranes conventionnelles de type sulfonique ou phosphonique classiquement utilisées dans les dispositifs piles à combustible ou électrolyseur de type PEM. Ainsi, une étude paramétrique visant à établir des corrélations entre les propriétés des films et les paramètres de dépôt a été menée. Il ressort de cette étude paramétrique que l’utilisation d’une décharge pulsée est favorable à une vitesse de croissance plus élevée et une densité des films plus faible que le mode de décharge continue, favorisant ainsi la conduction protonique. Nous avons également démontré que les dépôts réalisés en mode de décharge pulsée présentent de meilleures capacités de sorption et de rétention d’eau, ce qui est bénéfique pour l’application visée qui est la (photo-)électrolyse de l’eau. Par ailleurs toutes les membranes phosphoniques plasma préparées sont stables d’un point de vue rétention d’eau et réseau covalent jusqu’à au moins 250 °C, ce qui garantit leur utilisation dans des systèmes pouvant fonctionner jusqu’à 120 °C. Par la suite, les membranes phosphoniques plasma ont été intégrées en cellule d’électrolyse de l’eau, associées au Nafion® en tant qu’électrolyte. Les caractérisations électrochimiques en cellule ont montré que les membranes phosphoniques plasma sont suffisamment compétitives pour être envisagées dans le futur comme électrolytes solides à part entière dans des AME « tout solide ».

The purpose of this work was to develop phosphonic-type proton conductive membranes by radio-frequency PECVD in a continuous or pulsed discharge from the single precursor dimethyl allylphosphonate. Such membranes could advantageously replace the Nafion® membrane or conventional sulfonic-type or phosphonic acid-type membranes, more classically used in PEM fuel cells and electrolysis devices. A parametric study was carried out in order to establish correlations between the properties of the films and the deposition parameters. It appears that the use of a pulsed discharge promotes better films properties, namely higher growth rate and lower density, than the continuous discharge, thus promoting proton conduction. It was also noticed that the deposits prepared in a pulsed discharge have the highest sorption and water retention capacities, which is particularly beneficial for the intended application i.e. the (photo-) electrolysis of water. Furthermore, all the plasma phosphonic membranes prepared are stable in terms of water retention and covalent network up to at least 250 °C, which ensures their use in systems able to operate up to 120 °C. Subsequently the plasma phosphonic membranes, deposited on the Nafion® as mechanical support, were integrated as electrolyte membrane into a water electrolysis cell. It turns out that plasma phosphonic membranes are competitive enough to be envisaged in the future as integral solid electrolytes in solid membrane-electrodes assemblies.