Comprendre les relations structure-activité-stabilité de matériaux nanostructurés sans métaux nobles pour électrolyseur à eau alcalin // Understanding the structure-activity-stability relationship of nanostructured noble metal-free materials for alkaline

Le dihydrogène, en tant que vecteur énergétique stratégique, joue un rôle essentiel dans le stockage et la régulation de la production d'électricité issue des énergies renouvelables. L'électrolyse de l'eau en milieu acide représente actuellement l'une des technologies les plus abouties pour produire du dihydrogène « vert », cependant des contraintes liées aux ressources géologiques (notamment l'utilisation de métaux nobles tels que le platine et l'iridium) limitent son déploiement à grande échelle. Les dispositifs alcalins, quant à eux, ont l'avantage de pouvoir utiliser des matériaux à base de métaux de transition 3d, notamment sous leurs formes (hydro)oxydes, qui d'après le diagramme de Pourbaix, présentent une bonne stabilité à pH élevé. Contrairement aux métaux nobles, les métaux de transition 3d tels que le nickel et le fer sont naturellement abondants et donc moins chers, ce qui justifie le coût plus faible des systèmes alcalins. Dans ce contexte, la thèse proposée vise à concevoir des électrodes avancées sans métaux nobles pour les électrolyseurs alcalins.
Le développement de stratégies de synthèse pour produire des oxydes de métaux de transition 3d de taille et de forme contrôlées, à faible coût, en utilisant des réactifs respectueux de l'environnement et capables d'être produits à grande échelle, est un verrou majeur en chimie des matériaux. Les propriétés des nanoparticules dépendent de leur taille, de leur forme, ainsi que leur composition chimique. À titre d'exemple, les atomes situés sur les bords et les coins de la surface sont généralement chimiquement réactifs et catalytiquement actifs, ce qui contribue à leur fort potentiel en électrochimie. De plus, la taille des particules n'affecte pas seulement la surface, mais génère également de nouvelles propriétés électrochimiques, en raison de l'effet de confinement et l'état de surface. Pour mieux comprendre ces électrodes avancées à un niveau fondamental et libérer tout leur potentiel, il est essentiel d'étudier leur comportement et leurs propriétés.
Dans un premier temps, nous synthétiserons une bibliothèque de nanomatériaux à façon, de forme, taille et composition chimique contrôlées, qui représente un défi en synthèse pour les catalyseurs sans métaux nobles. Ces derniers seront caractérisés à l'aide d'outils physicochimiques ex situ et in situ pour permettre d'établir des relations « structure-activité électrocatalytique-stabilité ». Il s'agira notamment d'étudier leurs performances en fonctionnement stationnaire (courant constant) ou lors d'opérations de démarrage-arrêt et d'évaluer les changements avant et après les tests de stress accélérés afin d'identifier les limites opérationnelles. Les changements structurels, chimiques et de phase seront analysés pour évaluer la désactivation de la surface et les mécanismes de dégradation potentiels.
Ce n'est que par une approche holistique reliant les caractéristiques d'un électrocatalyseur à sa cinétique de réaction et de dégradation que des solutions d'atténuation pourront être proposées et que des matériaux plus performants et plus stables seront conçus.
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Hydrogen, as a strategic energy carrier, plays a crucial role in storing and regulating electricity production from renewable energy sources. Water electrolysis in an acidic medium is currently one of the most advanced technologies for producing “green” hydrogen, but geological resources limit its large-scale deployment (notably the utilization of noble metals such as platinum and iridium). In alkaline devices, 3d transition metals can be used and their (hydro)oxide forms exhibit good stability at high pH, according to the Pourbaix diagram. Unlike noble metals, 3d transition metals such as nickel and iron are naturally abundant and therefore cheaper, justifying the lower cost of alkaline systems. In this context, the proposed thesis aims to design advanced electrodes without noble metals for alkaline electrolyzers.
The development of synthetic strategies to produce 3d transition metal oxides of controlled size and shape, at low cost, using environmentally friendly reagents and capable of being produced on a large scale, is a major lock-in in materials chemistry. The properties of nanoparticles depend on their size, shape and chemical composition. For example, atoms located at the edges and corners of the surface are generally chemically reactive and catalytically active, which contributes to their high potential in electrochemistry. Moreover, particle size not only affects the surface, but also generates new electrochemical properties, due to the confinement effect and surface state. To better understand these advanced electrodes at a fundamental level and unlock their full potential, it is essential to study their behavior and properties.
Initially, nanomaterials of controlled shape, size and composition will be prepared to form a library of customized materials. These will be characterized using innovative, state-of-the-art analytical tools, both ex situ and in situ, to establish structure-activity-stability relationships. This includes studying their performance during stationary (constant current) or during start-up and shutdown operation, and assessing changes before and after accelerated stress testing to identify operational limits. Structural, chemical and phase changes will be analyzed to assess surface deactivation and degradation mechanisms.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Étudiant(e) motivé(e) avec une formation en chimie et/ou en science des matériaux, des compétences en électrochimie et/ou en synthèse inorganique seraient un atout supplémentaire.
Motivated student with a background in chemistry and/or materials science, skills in electrochemistry and/or inorganic synthesis would be an advantage.