Les oxydes métalliques jouent un rôle majeur dans le développement de procédés capables de convertir l’énergie issue de sources renouvelables en réactifs clés pour l’industrie chimique, comme l’hydrogène. En effet, le H2 est le réactif fondamental du procédé Haber-Bosch pour la production d’ammoniac, et donc d’engrais, et devrait également jouer un rôle clé dans la décarbonation de l’industrie sidérurgique. Les oxydes métalliques sont utilisés comme électrocatalyseurs dans les anodes des électrolyseurs d’eau. Ces dispositifs consistent en une cellule électrochimique dans laquelle le courant électrique provenant d’une source d’énergie renouvelable est utilisé pour diviser la molécule H2O, produisant du H2 à la cathode et de l’O2 à l’anode. Dans les électrolyseurs alcalins (AWE), technologie la plus répandue, l’anode est un oxyde de nickel contenant une certaine quantité de fer.[1].

L’étude du comportement des oxydes métalliques dans des conditions électrocatalytiques ou après leur dégradation irréversible (analyse post-mortem) est actuellement un domaine de recherche intense [2], compte tenu du rôle important que cette classe de matériaux jouera dans la transition énergétique. Dans ce contexte compétitif, les objectifs du projet de thèse seront : 1) développer une méthodologie originale pour étudier spectroscopiquement et dans des conditions non conventionnelles l’interface oxyde métallique/électrolyte aqueux lors du processus d’électrocatalyse, et 2) révéler quelles espèces intermédiaires sont créées à la surface de l’oxyde et le rôle qu’ils jouent dans l’activité et les voies de désactivation du matériau.

La méthodologie à développer s’appuiera sur l’application de méthodes cryo-électrochimiques, c’est-à-dire la combinaison de méthodes électrochimiques et spectroscopiques à basse température. [3,4].Cette stratégie présente un double intérêt. D’une part, l’abaissement de la température ralentit les processus chimiques, ce qui facilite la détection des intermédiaires réactionnels, qui ont une durée de vie très courte à température ambiante. Dans un deuxième temps, le système expérimental développé sera compatible avec les méthodes spectroscopiques nécessitant l’ultra-vide (< 1,10-9 mbar). À cet égard, un accent particulier sera mis sur le développement d’un système expérimental permettant des mesures spectroélectrochimiques par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). De plus, la spectroélectrochimie Raman à température ambiante et basse température sera explorée.

Pour réaliser ce travail, le doctorant bénéficiera d’un accès à des équipements expérimentaux de pointe à l’ICB. Par exemple, un instrument XPS équipé d’une source de rayons X conventionnelle, Al Kα, et d’une source de rayons X à haute énergie, Cr Kα, qui permet d’augmenter la profondeur d’échantillonnage de l’analyse de surface. A l’heure actuelle, cet équipement n’est disponible que dans deux laboratoires en France. Le doctorant pourra également être amené à se déplacer au niveau national pour réaliser des mesures dans le cadre de la fédération de recherche XPS : SPE FR 2050 CNRS, soutenue par le laboratoire, et à l’international dans des laboratoires avec lesquels une collaboration existe déjà (ex : l’Université Autonome de Barcelone). Enfin, des mesures sur de grandes installations synchrotron (par exemple SOLEIL) pourraient être envisagées.

-Les références :

(1) Chatenet, M. ; Pollet, BG; Dekel, DR; Dionigi, F. ; Déseuré, J. ; Millet, P. ; Braatz, RD; Bazant, MZ; Eikerling, M. ; Staffell, moi; Balcombe, P. ; Shao-Horn, Y. ; Schäfer, H. Électrolyse de l’eau : de la connaissance des manuels aux dernières stratégies scientifiques et développements industriels. Chimique. Soc. Rév.2022 , 51 (11), 4583-4762 .

(2) Da Silva, ES ; Macili, A. ; Bofill, R. ; García-Antón, J. ; Sala, X. ; Francàs Forcada, L. Stimuler l’activité d’évolution de l’oxygène des oxydes/hydroxydes de FeNi par l’ingénierie moléculaire et atomique. Chimie – Un journal européen 2023 , 30 (4), e202302251.

(3) López, I. ; Le Poul, N. Électrochimie et spectroélectrochimie à basse température pour les composés de coordination. Examens de chimie de coordination 2021 , 436 , 213823.

(4) López, I. ; Le Poul, N. Aspects théoriques de l’électrochimie à basse température. Journal de chimie électroanalytique 2021 , 887 , 115160.