Les sujets de recherche du groupe « électrochimie et conversion d’énergie » (ECE) gravitent autour de la conception de matériaux électrocatalytiques et de la compréhension des mécanismes réactionnels, des interfaces électrochimiques et des modifications structurelles et chimiques affectant ces derniers durant leur fonctionnement. Ces matériaux catalytiques sont utilisés pour une grande variété de systèmes et de réactions, orientées autour de la conversion d’énergie et du stockage (e.g. électrolyseurs, piles à combustible, condensateurs, batteries) ainsi que de la conversion de la biomasse et des petites molécules en produits à valeur ajoutée (e.g. oxydation et réduction du glucose, réduction du CO₂, des nitrates et du N₂). De manière spécifique, les sujets de recherche du groupe peuvent être divisés en trois principales directions :

Procédés électrocatalytiques pour la conversion d’énergie et la synthèse de produits à valeur ajoutée (T1) ;
Développement de matériaux électrocatalytiques pour pseudo-condensateurs et batteries (T2) ;
Etude des environnement locaux des réactions électrochimiques in opérando (T3) ;

T1. Procédés électrocatalytiques pour la conversion d’énergie et la synthèse de produits à valeur ajoutée.

Ici, les projets de l’équipe « ECE » sont particulièrement nombreux et orientés sur une large variété de systèmes :

Les piles à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEMFCs), fonctionnant soit à < 100°C ou > 100°C. En effet, les PEMFCs demeurent l’alternative la plus probante au moteur à essence, pour les véhicules particuliers. Néanmoins, la gestion de la température de ces systèmes est extrêmement complexe aux températures de fonctionnement habituelles (i.e. 80°C) et requiert un espace conséquent dans le produit final. Ce problème légitime l’intérêt de notre équipe pour les PEMFCs fonctionnant à plus haute température et requérant ainsi moins de gestion de la température, présentant des cinétiques plus importantes mais aussi des phénomènes de dégradations plus rapides. Dans ce contexte, nous étudions (a) les procédés de dégradation et d’empoisonnement prenant place dans ce type de piles à combustible ; (b) la conception de la nouvelle génération d’électrocatalyseurs à l’anode (oxydation de l’hydrogène, HOR) et à la cathode (réduction de l’oxygène, ORR), gravitant autour de matériaux carbonés utilisés en tant que supports pour des matériaux à base de platine.
Les piles à combustibles à membranes échangeuses d’anions (AEMFCs) et les électrolyseurs à membrane échangeuse d’anions pour la génération de l’eau (AEMWEs). Ici, l’attention porte soit sur les matériaux non précieux en tant qu’électrocatalyseurs pour l’oxydation et la réduction de l’eau (OER et HER, respectivement) et sur des alternatives à ces réactions, afin d’optimiser le voltage des électrolyseurs et des piles à combustible. Dans la première catégorie, nous nous sommes intéressés au développement de structures dites coeur@coquille de Fe₃O₄@CoFe₂O₄ en tant qu’alternatives pour l’OER. Ces dernières présentent une activité de 2.8 kA.g^-1_cobaltà 1.65V vs. RHE. Les modifications structurales de ces nanoparticules ont été étudiées opérando, en utilisant des radiations synchrotron, mettant ainsi en avant un échange d’électrons entre le cœur et la coquille de la nanoparticule durant l’OER (voir Figure 1). Des polyoxymetalates à base de cobalt sont aussi étudiés au sein de notre groupe pour l’OER en milieu neutre (pH = 4 – 8), afin d’élucider les mécanismes à l’origine de leur dégradation opérando. Une autre famille d’électrocatalyseurs ici étudiée est la famille des ‘oxides de métaux de transitions’ (TMO) et des ‘composites de TMO/carbone’, du fait de leur nature peu dispendieuse, de leur facilité de synthèse et de mise en forme. Leur combinaison avec les matériaux carbonés vise à augmenter leur conductivité électrique. Notre groupe s’intéresse plus particulièrement à (a) la compréhension de l’ORR sur les TMOs et les composites de TMO/carbone, ainsi que les interactions entre le carbone et les TMOs ; (b) le développement de nouveaux types de synthèses pour la préparation de composites, tell que la méthode d’autocombustion in-situ et (c) l’étude de la stabilité des matériaux carbonés dans les conditions de fonctionnement de l’OER (voir Figure 2). L’utilisation de réactifs différents du H₂, du O₂ et de l’eau est aussi d’importance, dû au fait que ces derniers demeurent le moyen le plus simple de modifier le voltage d’un électrolyseur ou d’une pile à combustible. Ici, notre groupe étudie l’oxydation des borohydrures, de l’hydrazine et de l’ammoniac sur des électrocatalyseurs à base de nickel, eut égard à leur faible cout, stabilité en milieu alcalin et leur capacité à catalyser les dites réactions à un potentiel proche, ou inferieur, à 0 V vs. RHE. Nous nous intéressons tout particulièrement à la composition de la surface et au ratio métal/oxide de métal ainsi qu’à son influence sur l’activité électrocatalytique et le mécanisme d’oxydation des espèces précédemment citées. Le groupe s’intéresse aussi à l’oxydation de l’urée en tant qu’alternative à l’OER pour les électrolyseurs alcalins, sur des catalyseurs à base de nickel. L’utilisation de ces derniers émane de l’expertise acquise par notre groupe dans cette thématique et au fait qu’ils étaient, et restent, des matériaux de prédilection lorsque le sujet à trait au design d’électrocatalyseurs pour l’HOR/HER en milieu alcalin.

La valorisation de la biomasse et de petites molécules en produits à valeur ajoutée. Sur la thématique de la biomasse, notre équipe travaille principalement sur la conversion du glucose en acide gluconique et en sorbitol, sur des catalyseurs à base de nickel (voir Figure 3), en cherchant à comprendre les cinétiques et les mécanismes afin d’améliorer l’activité, la sélectivité et la stabilité en présence d’agents empoisonnants, en utilisant une combinaison d’électrochimie, de spectroscopie et de modélisation. Le groupe s’intéresse aussi, depuis peu, au design d’électrocatalyseurs pour la réduction du N₂ (NRR) et des nitrates, afin de fournir une solution alternative au procédé Haber-Bosch et faciliter la dépollution des sols et de l’eau. A cause de la complexité de la NRR et de la présence de l’HER, ici en tant que réaction parasite, de nouveaux designs d’électrocatalyseurs et d’interface réactionnelles doivent être envisagés. Ici, le groupe étudie (a) le design de catalyseurs inorganiques fonctionnant en « cascade », afin de catalyser de manière indépendante les différentes étapes de la réaction ; (b) l’utilisation d’interfaces électrocatalyseurs//électrolytes innovantes, où la source de protons et le milieu aqueux sont remplacés par un environnement apte à faciliter la NRR.

T2. Développement de matériaux d’électrodes pour des pseudo-condensateurs et des batteries.

Le groupe s’intéresse ici au développement de matériaux d’électrodes pour la prochaine génération de pseudo-condensateurs et de batteries Li-ion, avec un intérêt tout particulier pour les matériaux carbonés, les TMOs et les composites, afin de mieux comprendre les corrélations entre leur structure et leurs propriétés électrochimiques. Cette étude est accomplie en suivant trois directions : (i) la synthèse de matériaux carbonés et de TMO via plusieurs méthodes (e.g. combustion à l’état solide, méthode hydrothermale, méthode solvothermale, activation chimique, pyrolyse et exfoliation de structures carbonés bi-dimensionnelles) conduisant à la préparation de matériaux doté d’une grande variété de morphologies, peu couteux et avec des performances exceptionnelles. Des exemples spécifiques sont : les TMOs à base de Mn et Fe, le graphène, les aérogels, des carbones activés dopés et les noirs de carbones, ainsi que des combinaisons entre ces derniers ; (ii) l’utilisation d’outils de modélisation afin d’analyser des spectres d’impédance électrochimique et mieux caractériser la morphologie, et porosités, des dits matériaux ; (iii) la quantification de leur propriétés structurelles et électrochimiques en utilisant une vaste gamme de méthodes électrochimiques et spectroscopiques.

T3. Etude des environment locaux des réactions électrochimiques in opérando.

Durant la dernière décennie, la perception des interfaces électrochimiques a radicalement changé. Il est aujourd’hui clair que les conditions d’opération, à la fois au niveau de l’électrode et de l’électrolyte, sont extrêmement différentes en comparaison des conditions ex-situ. Notre groupe a ainsi développé une vaste gamme d’expertises et de méthodes afin de mieux comprendre comment cet environnement local de réaction (LRE) évolue opérando. Celle-ci comprend la spectroscopie des photoélectrons X (XPS) ou la spectroscopie infrarouge (FTIR) afin d’obtenir des informations sur les changements dans la physico-chimie et la structure d’oxydes d’iridium et de ruthénium ou de catalyseurs à base de Ni ou Co durant leur fonctionnement. Plus récemment, notre groupe s’est intéressé au côté « électrolyte » du LRE, afin de mieux comprendre les changements de ce dernier à l’interface. Cette étude est effectuée via une combinaison de modélisation et d’approches expérimentales, e.g. dynamique moléculaire, XPS, sondes fluorescentes ratiométrique couplé avec de la microscopie à laser confocal (voir Figure 5). A travers la dynamique moléculaire, l’objectif est d’étudier les déplacements moléculaires à l’interface réactionnelle en fonction du potentiel de l’électrode, de la nature de l’électrolyte et de l’électrode, tandis que le design de sondes fluorescentes (en collaboration avec l’équipe COMBO) vise à fournir des indications sur le pH local et ses variations opérando. Notre groupe s’intéresse aussi à des interfaces plus complexes, telles que celles entre l’électrocatalyseurs et des ionomères pour des applications pour des AEMFCs et AEMWEs, via des approches électrochimiques et de modélisations.