Comprendre les relations structure-activité-stabilité de matériaux nanostructurés sans métaux nobles pour électrolyseur à eau alcalin

L'impact néfaste des gaz à effet de serre sur le climat a suscité une recherche intensive de ressources énergétiques respectueuses de l'environnement. Dans ce contexte, les énergies renouvelables sont des options prometteuses, mais des systèmes de stockage d'énergie à grande échelle sont nécessaires pour remédier à leur intermittence. Les électrolyseurs à eau alcalins sont idéaux pour convertir l'énergie électrique provenant de sources renouvelables en hydrogène moléculaire (H₂), un vecteur d'énergie ayant une densité énergétique élevée et un impact minimal sur l'environnement. Ces technologies doivent encore être améliorées, notamment en termes de durée de vie et d'efficacité. Pour résoudre ces problèmes, il est important d'acquérir une compréhension fondamentale de la structure des électrodes et de la relation structure-activité-stabilité, afin d'améliorer les performances et la stabilité des électrolyseurs à eau alcalins.

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.

Le Laboratoire d'Electrochimie et de Physicochimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI) est une unité mixte de recherche du CNRS, de Grenoble INP - UGA, de l’UGA et de l'université Savoie Mont Blanc, présente à Grenoble et Chambéry.

Le laboratoire est très impliqué dans les enjeux économiques comme l'atteste la part majoritaire de ses ressources tirée de contrats, appels d'offres et plus particulièrement de contrats associant des industriels. Les applications sous-jacentes aux activités de recherche du LEPMI sont orientées vers le développement des générateurs électrochimiques (batteries, piles à combustible, cellules photovoltaïques), la production d’hydrogène (électrolyse), les procédés de recyclage des matériaux stratégiques et la corrosion. 

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.