Electrochemistry and Energy Conversion

Thèmes de recherche

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 :

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

T1. Electrocatalytic processes for energy conversion and synthesis of value-added products.

Figure 1
Figure 2
Figure 3

Here, the group interest revolve onto a large array of systems:

  1. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), performing either at < 100°C or > 100 °C. Indeed, PEMFCs remains the most promising alternative to fuel engine in personal vehicles, but the temperature management of those systems is extremely challenging in the current operating conditions (e.g. < 80°C), and occupy a considerable amount of space in the final product, thus leading to an ever-growing interest in designing PEMFCs that can operate a higher temperatures, thus exhibiting less thermal management, faster kinetics, but also quicker degradation processes. In its studies, the group explores the degradation processes and poisoning effects occurring in such fuel cells, along with the design of the next generation of electrocatalysts for both the anode (hydrogen oxidation reaction, HOR) and cathode (oxygen reduction reaction, ORR), based around advanced carbon materials acting as a supports for platinum-based electrocatalysts;
  2. Alkaline exchange membrane fuel cells (AEMFCs) and alkaline exchange membrane water electrolyzers (AEMWE). Here, the focus is either on the exploration of non-precious metal based electrocatalysts for the oxygen reduction and evolution reaction (OER) and the hydrogen evolution (HER) or oxidation reaction or on alternatives for the aforementioned reactions, to decrease or increase the operating cell voltage for electrolyzers and fuel cells, respectively. In the first category, an extensive effort has been carried out to develop core@shell structures of Fe3O4@CoFe2O4 as alternative catalysts for the OER, which exhibited performances as high as 2.8 kA.g-1cobalt at 1.65V vs. RHE. The structural changes undergone by those structures were studied operando, using synchrotron radiations, evidencing an electron exchange between the core and the shell of the nanoparticle (see Figure 1). Co-based nanostructures such as polyoxometalates are also under investigation as OER electrocatalysts in neutral environment (pH = 4 – 8), with a special focus on their stability during operation. Another family of electrocatalysts that is widely investigated as ORR and OER electrocatalysts is the ‘transition metal oxides’ (TMO) and ‘TMO/carbon composites’ family, due to their inexpensive nature, ease of synthesis and high tunability. They are often combined with carbon materials to increase the overall electrocatalyst conductivity. Here, the group has a special interest in (a) understanding the ORR mechanism on TMO & TMO/carbon, along with the TMO//carbon interactions; (b) develop innovative syntheses for the composite preparation, such as the in-situ autocombustion method and (c) investigate the stability of carbon materials in the OER operating conditions (see Figure 2).
  3. Using alternative fuels to H2, water and O2 is also of interest, owing to the fact that they remain the easiest way to tune the operating voltage of a fuel cell/water electrolyzer. Here, the group investigate the oxidation of borohydride, hydrazine and ammonia on nickel based electrocatalysts, owing to their low cost, high stability in alkaline media and ability to catalyse these reactions at potential close to (or below) 0 V vs. RHE, with a special attention to the metal/metal oxide surface composition and its influence of the electrocatalytic activity and the mechanism of oxidation of complex fuels. Similarly, the group also investigate the oxidation of urea as an alternative to the OER in alkaline electrolyzers, on nickel-based alloys. The use of nickel-based electrocatalysts arises from the deep understanding of such materials acquired by the group over the last decade and the fact that they were, and remains, materials of choice for the group when addressing the design of electrocatalysts for the HOR/HER in alkaline electrolyzers.

  4. The valorisation of the biomass and of small molecules into value added products. On the topic of the biomass, it gravitaes mainly around the conversion of glucose into gluconic acid and sorbitol on nickel-based electrocatalysts (Figure 3), with the main objective being to understand the reaction kinetics and mechanisms to propose means to improve activity, selectivity and stability to poisoning during the aforementioned reactions, using a combination of electrochemical, spectroscopic and modelling means. The group also recently developed an interest into the design of electrocatalysts for the nitrogen reduction reaction (NRR) and nitrate reduction in ammonia, to provide alternative means to the Haber-Bosch process and facilitate the ground, and water, depollution. Owing to the intrinsic complexity and the presence of parasitic reaction (e.g. the HER), new designs for both the electrocatalysts and the reactive interfaces have to be brought forth. Hence, the group investigates (a) the design of cascade, inorganic, electrocatalysts, to catalyse independently the various steps for the reduction; (b) the use of innovative electrolyte//electrode interfaces, where the proton source and aqueous media are replaced by an environment prone to facilitate the NRR.

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

Figure 4

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.

Figure 5

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.

Team members

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