Synthèse et caractérisation de nanocomposites platine/nanofibres pour électrodes de pile à combustible à électrolyte polymère

SYNTHESIS AND CHARACTERISATION OF NANOFIBRE SUPPORTS FOR PLATINUM AS ELECTRODES FOR POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELLS

• Auteur / Autrice : Juliia Savych Maciejasz
• Direction : Jacques Rozière, Pawel Kulesza, Deborah Jacqueline Jones, Sara Cavaliere-Jaricot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/07/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....) - Institut Charles Gerhardt (Montpellier ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Jerzy Zając
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Rozière, Pawel Kulesza, Deborah Jacqueline Jones, Sara Cavaliere-Jaricot, Jerzy Zając, Nicolas Alonso-Vante, Philippe Knauth, Maria-Luisa Di Vona
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Alonso-Vante

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde d'étain

Oxyde de titane

Supports de catalyseurs

Nanofibres

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Oxyde de titane

Oxyde d'étain

Nanofibres

Filage électrostatique

Support de électrocatalyseur

Piles à combustible à électrolyte polymère

Titanium oxide

Tin oxide

Nanofibres

Electrospinning

Electrocatalyst support

Polymer electrolyte fuel cells

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le contexte général des efforts de recherche pour développer des supports de catalyseur résistant à la corrosion qui peuvent potentiellement remplacer le carbone dans les piles à combustible à électrolyte polymère. Des nanofibres et des nanotubes à base de TiO2 et SnO2 dopés par Nb ont été préparés par filage électrostatique et caractérisés par diffraction des rayons X, spectroscopie des photoélectrons de rayons X, spectroscopie Raman, mesures de surface spécifique et de conductivité électronique. Les nanofibres de TiO2 et SnO2 dopées par Nb présentent une conductivité et une surface spécifique supérieure à celle des oxydes non dopés. Des nanoparticules de platine ont été préparées en utilisant une méthode polyol modifié par micro-ondes, et déposées sur les supports fibreux. La caractérisation électrochimique des électrocatalyseurs ainsi obtenus a été réalisée ex situ par voltamètre en utilisant une électrode à disque tournant. Le catalyseur supporté, Pt sur SnO2 dopé par Nb présenté une stabilité électrochimique supérieure à celle d'un catalyseur Pt sur carbone commercial (Vulcan XC-72R). Une cathode Pt/Nb-SnO2 préparée par pulvérisation a pu être intégrée dans un assemblage membrane-électrode (AME) et caractérisée in situ dans une cellule de pile à combustible à électrolyte polymère. L'AME a présenté une durée de vie plus élevée mais une densité de puissance plus faible qu'un AME contenant Pt/C. Les nanotubes de SnO2 dopés par Sb ont une conductivité plus élevée que celle des matériaux dopés par Nb et lorsqu'ils sont intégrés dans une cathode, fournissent une densité de puissance accrue par rapport à une cathode à base de Nb- SnO2.

The objective of this thesis is to develop corrosion resistant catalyst support materials that can potentially replace carbon in Polymer electrolyte fuel cells. Therefore, Nb doped TiO2 and SnO2 nanofibres and nanotubes were prepared by electrospinning and characterised by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, N2 adsorption/desorption analysis and electronic conductivity measurements. The obtained Nb doped TiO2 and SnO2 one dimensional structures demonstrated higher conductivity and surface area than non-doped oxides. Pt nanoparticles were prepared using a modified microwave-assisted polyol method and deposited on the electrospun supports. Electrochemical characterisation of the obtained electrocatalysts was performed ex situ using a rotating disc electrode, and compared with a commercial carbon support (Vulcan XC-72R). Pt supported on Nb doped SnO2 provided higher electrochemical stability in comparison to Pt on carbon. Thus, a cathode of Pt/Nb-SnO2 prepared by spray-coating was integrated into Membrane Electrode Assembly (MEA) and characterised in situ in single Polymer electrolyte fuel cell. The MEA exhibited higher durability though lower power density compared to MEA with Pt/C based cathode. Sb doped SnO2 nanotubes have higher conductivity than Nb doped material and when integrated into a cathode, provided enhanced power density in comparison to Nb-SnO2 based cathode.