Nouveaux matériaux d’électrodes à base de carbures / (oxy)nitrures de molybdène pour la production d’hydrogène // Novel electrode materials based on molybdenum carbides/(oxy)nitrides for hydrogen production

La production verte de dihydrogène (H2) est une solution potentielle pour répondre à la crise énergétique actuelle. Le craquage de l’eau par photocatalyse permet l’obtention de dihydrogène et d’oxygène. Cependant des électrocatalyseurs sont nécessaires pour avoir une séparation efficace de l’eau (aussi bien au niveau de la réaction d’évolution de H2 que de O2). À ce jour, les nanomatériaux de métaux nobles sont les matériaux les plus performants. Néanmoins, ces ressources sont non seulement rares et coûteuses, mais aussi instables et sujettes aux empoisonnements lors des réactions électrochimiques. Il est donc urgent de développer des électrocatalyseurs peu coûteux, très efficaces et stables pour la séparation globale de l'eau.

Dans ce contexte, les matériaux d'électrocatalyseurs à base de molybdène (Mo) sont très prometteurs et suscitent actuellement un intérêt croissant dans le domaine de l'énergie. Notre groupe a d’ores et déjà démontré la possibilité d'obtenir de grandes quantités de carbures de Mo/nanocomposites de carbone en utilisant de l'eau comme solvant et un précurseur d'oxyde de Mo sûr à faible coût, présentant de bonnes activités catalytiques. Le projet a pour vocation l’exploration de nouveaux matériaux dopés, permettant d’accroitre les performances électrochimiques.

Il s’agira de synthétiser à grande échelle et en une seule étape par pyrolyse laser des carbures ou (oxy)nitrures de molybdène dopés sous forme de nanocomposites (directement en mélange avec du carbone graphitique (GC)), noté MoMX/GC (M : Ni, Co, Cu, Fe ; X = C, N). Les composés seront caractérisés par diffraction des rayons X et spectroscopies FTIR / Raman. Les mécanismes de photocatalyse seront étudiés via notamment le suivi de la production de dihydrogène en collaboration avec l’Institut des Sciences Chimiques à Rennes.

Références bibliographiques
T. Caroff et al., Facile synthesis and characterization of molybdenum carbides/carbon nanocomposites by laser pyrolysis, Nanomanufacturing 2022, 2, 112.
Q. Wang et al., Particulate photocatalysts for light-driven water splitting: mechanisms, challenges, and design strategies, Chem. Rev. 2020, 120, 919.
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Green production of dihydrogen (H2) is a potential solution to the current energy crisis. Photocatalytic water cracking produces dihydrogen and oxygen. However, electrocatalysts are required for efficient water separation (both in the H2 and O2 evolution reactions). To date, noble metal nanomaterials are the most efficient materials. However, these resources are not only scarce and expensive, but also unstable and prone to poisoning during electrochemical reactions. There is therefore an urgent need to develop low-cost, highly efficient and stable electrocatalysts for global water separation.

In this context, molybdenum (Mo)-based electrocatalyst materials hold great promise and are currently attracting growing interest in the energy sector. Our group has already demonstrated the possibility of obtaining large quantities of Mo carbides/carbon nanocomposites using water as a solvent and a safe, low-cost Mo oxide precursor with good catalytic activities. The project aims to explore new doped materials for enhanced electrochemical performance.

The aim is to synthesize doped molybdenum carbides or (oxy)nitrides as nanocomposites (directly mixed with graphitic carbon (GC)) on a large scale in a single step by laser pyrolysis, noted MoMX/GC (M: Ni, Co, Cu, Fe; X = C, N). The compounds will be characterized by X-ray diffraction and FTIR/Raman spectroscopy. Photocatalysis mechanisms will be studied, in particular by monitoring dihydrogen production in collaboration with the Institut des Sciences Chimiques in Rennes.


Références
T. Caroff et al., Facile synthesis and characterization of molybdenum carbides/carbon nanocomposites by laser pyrolysis, Nanomanufacturing 2022, 2, 112.
Q. Wang et al., Particulate photocatalysts for light-driven water splitting: mechanisms, challenges, and design strategies, Chem. Rev. 2020, 120, 919.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie
Laboratoire : Laboratoire Edifices Nanométriques
Date de début souhaitée : 01-11-2024
Ecole doctorale : Sciences Chimiques: Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes (2MIB)
Directeur de thèse : SURBLE Suzy
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS
URL : https://iramis.cea.fr/en/nimbe/ledna/pisp/suzy-surble/
URL : https://iramis.cea.fr/nimbe/ledna/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie

Chimie des matériaux, Electrocatalyse.