Etude de la chimie de surface des électrodes en cermet pendant l'électrolyse au CO2 à haute température

Investigation of the surface chemistry of cermet electrodes during high-temperature CO2 electrolysis

• Auteur / Autrice : Dingkai Chen
• Direction : Spyridon Zafeiratos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Cécile Roger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Axel Knop-Gericke
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie Le Gal La Salle, George Marnellos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde de carbone

Gadolinium

Oxyde d'yttrium

Électrolyse

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

SOEC

Ni/YSZ

Ni/GDC

L'électrolyse du CO2

NAP-XPS

Infiltration

SOEC

Ni/YSZ

Ni/GDC

CO2 electrolysis

NAP-XPS

Infiltration

Résumé

Les matériaux à base de Ni et zircone stabilisée à l’oxyde d’yttrium (YSZ) ou d'oxyde de cérium dopé au gadolinium (GDC) sont les électrodes cathodiques de référence pour les SOEC fonctionnant avec des combustibles comme H2O, CO2 et CO2/H2O. Cependant, elles sont toujours confrontées à des problèmes de dégradation et de faible efficacité d'activation/conversion. Les dégradations peuvent être classées en effets irréversibles et réversibles. Les premiers sont liés à la stabilité mécanique du dispositif SOEC, comme la perte du TPB, la délamination, les changements microstructuraux, etc. qui peuvent être facilement démontrés par l'analyse post-mortem des dispositifs SOEC. Les phénomènes réversibles, tels que l'oxydation des électrodes et la pollution réversible (en particulier le carbone), sont quant à eux dynamiques et dépendent fortement des conditions opérationnelles. Par conséquent, les technologies de caractérisation en conditions opératoires sont nécessaires pour comprendre les mécanismes de dégradation exacts et envisager leur éradication. En ce qui concerne les problèmes de faible activité, malgré le fait que le Ni/YSZ soit prometteur comme électrocatalyseur de cathode SOEC en raison de son faible coût et de sa bonne résistance mécanique, il présente néanmoins des pertes de surtension élevées ainsi qu’une faible durabilité dans les études de cellules individuelles et de piles. En réponse à ces problèmes, la modification/décoration du matériau Ni/YSZ actuel est continuellement proposée comme solution principale pour l'électrolyse du CO2 dans les SOECs. L'objectif principal de ce travail est de comprendre l'oxydation de l'électrode, qui est considérée comme l'une des principales causes de dégradation réversible du matériau. Pour ce faire, nous étudierons la chimie de surface de deux électrodes cathodiques à base de nickel, Ni/GDC et Ni/YSZ, sous gaz d'alimentation SOEC et l'effet de l'état de surface de l'électrode sur leurs performances électrocatalytiques en utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression quasi ambiante (NAP-XPS). Enfin, sur la base des recherches ci-dessus, notre objectif est de développer une électrode à oxyde solide plus robuste et plus active pour les applications en SOC via la modification/décoration du matériau Ni/YSZ de référence.

Ni-yttria-stabilized zirconia (YSZ) and Ni-gadolinia-doped ceria (GDC) are the SoA cathode electrodes for SOEC operating under H2O, CO2 and CO2/H2O fuels. However, they are still facing degradation issues and low activation/conversion efficiency issues. Degradation can be categorized into irreversible and reversible effects. The former is related to the mechanical stability of the SOEC device such as loss of the TPB, delamination, and microstructural changes etc., which can be easily demonstrated by post-mortem analysis of the SOEC devices. Reversible phenomena, such as electrode oxidation, and reversible pollution (especially carbon) etc., are dynamic and depend very much on the operational conditions. Therefore, operando characterization technologies are required to understand the exact degradation mechanism to eradicate the degradation issues. In terms of low conversion efficiency issues, despite the fact that Ni/YSZ is promising as SOEC cathode electrocatalyst due to its low cost and good mechanical strength, it exhibits high overpotential losses and poor durability both in single cell and stacks studies. In response to these problems, modification/decoration of present Ni/YSZ material is continuously being proposed as a main direction for CO2 electrolysis in SOECs. The principal objective of this work is to understand the electrode oxidation, which is believed to be one of the main caused for reversible degradation. This will be done through investigating the surface chemistry of two nickel-based cathode electrodes, Ni/GDC and Ni/YSZ, under SOEC feed gases and the effect of the electrode surface state in the electrocatalytic performance using near ambient-pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS). Finally, based on the above research, our goal is to develop a more robust and active solid oxide electrode for SOC applications via modification/decoration of SoA Ni/YSZ.