Développement d'électrodes/catalyseurs poreux à base de nickel pour électrolyseurs à eau

L'électrode joue un rôle crucial dans la performance des électrolyseurs d'eau, où le transfert de charge et de masse dépend de l'activité intrinsèque et de la dynamique des bulles. Cette thèse se concentre sur le développement et l'optimisation des électrodes à base de nickel avec des structures poreuses bien conçues et des catalyseurs avancés afin d'améliorer à la fois le transfert de charge et de masse pour les électrolyseurs à eau alcaline (AWE) et à membrane échangeuse d’anions (AEM). Pour assurer l'évolutivité industrielle, nous avons employé des techniques de fabrication économiques telles que la projection plasma atmosphérique (APS), la texturation laser (LT) et l'impression 3D (3DP) pour fabriquer ces électrodes.Le travail a consisté à développer de nouvelles électrodes/catalyseurs, suivis de caractérisations physicochimiques pour explorer la morphologie et la composition, ainsi qu'à évaluer les performances électrochimiques dans différentes conditions. Une attention particulière a été portée à la dynamique des bulles afin d'optimiser la conception des électrodes et d'améliorer le transfert de masse.Dans la première étude, une nouvelle électrode microporeuse à canaux multiples en nickel a été développée à l'aide de la LT. Cette structure unique a amélioré la dynamique des bulles grâce à un mécanisme innovant d'éruption intermittente des bulles, améliorant considérablement le transfert de masse et augmentant les performances de l'AWE. Cette recherche fournit des perspectives pour faire progresser les systèmes d’électrolyseurs de nouvelle génération.Dans la deuxième étude, des électrodes hiérarchiques en nickel microporeux conique ont été développées à l'aide de l'APS et de la LT. Ces électrodes ont montré des performances catalytiques remarquables pour les réactions de dégagement d’hydrogène (HER) et d’oxygène (OER), améliorant considérablement l'efficacité par rapport aux électrodes Raney Ni sans LT. Les micropores hiérarchiques ont amélioré la dynamique des bulles, tandis qu'un effet de "fixation" distinct résultant du processus LT a amélioré la durabilité, empêchant le décollement de la couche catalytique même sous des courants à l'échelle industrielle.Dans la troisième étude, un catalyseur Raney-Ni dopé au fer (NFA-CA) a été préparé par APS, présentant une structure de NiFe LDH riche en défauts dérivée de nanocristaux de NiFe sur un squelette en alliage NiAl. L'électrode NFA-CA a démontré d'excellentes performances et une grande durabilité dans des conditions alcalines, contribuant au développement de catalyseurs pour les électrolyseurs AEM industriels.Pour améliorer davantage le transfert de masse dans les catalyseurs Raney-Ni dopés au fer, une structure poreuse à surface minimale triplement périodique (TPMS) avec une géométrie en gyroïde a été créée comme substrat pour les catalyseurs NFA-CA. L'électrode G250-NFA-CA résultante, avec sa structure poreuse à gradient hiérarchique, a amélioré la dynamique des bulles, accéléré le transfert de masse et offert des performances cellulaires très efficaces.Ces innovations offrent une approche prometteuse pour la conception et la fabrication avancées d'électrodes poreuses, ouvrant la voie à une production d'hydrogène industrielle plus efficace et durable.