FR3162008A1 - Process for preparing a fluorinated MoS2-based electrode active layer for electrochemical reduction reactions - Google Patents
Process for preparing a fluorinated MoS2-based electrode active layer for electrochemical reduction reactionsInfo
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Abstract
Procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau catalytique comprenant une phase active à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor. Ledit procédé consiste en la mise en contact d’un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré avec un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 et 0,2 MPa, une P.P.H comprise entre 0,01 et 200 h-1. A process for preparing a catalytic material for an electrode used in electrochemical reduction reactions, said catalytic material comprising an active phase based on at least one metal from Group VIB and fluorine. The process consists of contacting a solid material based on at least one sulfide metal from Group VIB with a gas containing at least fluorine, at a temperature between -50°C and 150°C, for a duration between 15 seconds and 120 minutes, at a fluorine concentration in the gas between 0.1 and 100% by volume relative to the total volume of said gas, at a pressure between 0.001 and 0.2 MPa, and at a PPH between 0.01 and 200 h⁻¹.
Description
La présente invention concerne le domaine des électrodes aptes à être utilisées pour des réactions de réduction électrochimique, en particulier pour l’électrolyse de l’eau afin de produire de l’hydrogène.The present invention relates to the field of electrodes suitable for use in electrochemical reduction reactions, in particular for the electrolysis of water to produce hydrogen.
Pour atteindre les objectifs de la transition énergétique, les industriels s’intéressent aujourd’hui à la production et à l’utilisation de l’hydrogène (ou dihydrogène H2) bas-carbone et renouvelable. Utilisé à ce jour essentiellement dans la chimie ou le raffinage, ce vecteur d’énergie pourrait contribuer à décarboner certains secteurs industriels, assurer le stockage de l’électricité ou alimenter le secteur des transports.To achieve the goals of the energy transition, manufacturers are now focusing on the production and use of low-carbon, renewable hydrogen (or dihydrogen H2 ). Currently used primarily in the chemical and refining industries, this energy carrier could contribute to decarbonizing certain industrial sectors, ensuring electricity storage, or powering the transportation sector.
Différentes techniques de production existent :
- le reformage du gaz naturel à la vapeur d'eau est la technique la plus répandue. Il s’agit de faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un mélange contenant de l’hydrogène et du CO2.
- la gazéification permet de produire, par combustion, un mélange de CO et d’H2à partir de charbon ou de biomasse. Le CO2émis dans les deux cas précédents pourrait éventuellement être capté et stocké ou valorisé.
- l’hydrogène peut aussi être produit à partir d’eau et d’électricité, c’est l’électrolyse de l'eau. C’est la voie la plus intéressante car elle est un mode de production propre (pas d’émission carbone lorsqu’elle est couplée à une source d’énergie renouvelable) et fournit de l’hydrogène de pureté élevée, mais elle reste encore coûteuse (2 à 3 fois plus chère que le reformage du gaz naturel).
- Steam reforming of natural gas is the most widespread technique. It involves reacting methane with water to obtain a mixture containing hydrogen and CO2 .
- Gasification allows the production, through combustion, of a mixture of CO and H2 from coal or biomass. The CO2 emitted in the two previous cases could potentially be captured and stored or utilized.
- Hydrogen can also be produced from water and electricity through water electrolysis. This is the most promising method because it is a clean production method (no carbon emissions when coupled with a renewable energy source) and provides high-purity hydrogen, but it remains expensive (2 to 3 times more expensive than natural gas reforming).
Dans une cellule d’électrolyse de l’eau, la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) se produit à la cathode et la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) à l’anode.In a water electrolysis cell, the hydrogen evolution reaction (HER) occurs at the cathode and the oxygen evolution reaction (OER) at the anode.
La réaction globale est :The overall reaction is:
[Chem 1][Chem 1]
H2O → H2+1/2 O2 H₂O → H₂ + 1/2 O₂
Des catalyseurs sont nécessaires pour les deux réactions. Différents métaux ont été étudiés comme catalyseurs pour la réaction de production du dihydrogène à la cathode et ceux-ci diffèrent selon la technologie et donc les conditions physicochimiques dans lesquels vont travailler les catalyseurs. Aujourd’hui, le platine est le métal le plus utilisé dans les électrolyseurs membranaires en particulier en milieu acide dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (ou Proton Exchange Membrane, PEM en anglais). Il présente une surtension (tension nécessaire pour produire une molécule de H2à partir de 2 H+) négligeable comparée à d’autres métaux. Cependant, la rareté, le coût (> 25 k€/kg) et la concurrence d’utilisation (pile à combustible, catalyse…) de ce métal noble sont des freins au développement économique de la filière hydrogène sur le long terme. C’est la raison pour laquelle, depuis maintenant un certain nombre d’années, les chercheurs s’orientent vers de nouveaux catalyseurs, sans platine, mais à base de métaux peu coûteux et abondants dans la nature.Catalysts are necessary for both reactions. Various metals have been studied as catalysts for the dihydrogen production reaction at the cathode, and these differ depending on the technology and therefore the physicochemical conditions under which the catalysts operate. Today, platinum is the most widely used metal in membrane electrolyzers, particularly in acidic environments, in proton exchange membrane (PEM) electrolyzers. It exhibits a negligible overpotential (the voltage required to produce one H₂ molecule from two H⁺ ions) compared to other metals. However, the scarcity, cost (> €25,000/kg), and competing uses (fuel cells, catalysis, etc.) of this noble metal are hindering the long-term economic development of the hydrogen sector. This is why, for a number of years now, researchers have been turning towards new catalysts, without platinum, but based on inexpensive metals that are abundant in nature.
La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est bien décrite dans l’ouvrage : «Hydrogen Production: Electrolysis», 2015, Ed Agata Godula Jopek. L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en O2et H2gazeux avec l'aide d'un courant électrique. La cellule électrolytique est constituée de deux électrodes — habituellement en métal inerte (dans la zone de potentiel et de pH considérée) comme le platine — immergées dans un électrolyte et connectées aux pôles opposés de la source de courant continu.The production of hydrogen by water electrolysis is well described in the book: " Hydrogen Production: Electrolysis ", 2015, Ed Agata Godula Jopek. Water electrolysis is an electrolytic process that decomposes water into gaseous O₂ and H₂ using an electric current. The electrolytic cell consists of two electrodes—usually made of an inert metal (within the relevant potential and pH range) such as platinum—immersed in an electrolyte and connected to opposite poles of the direct current source.
Le courant électrique dissocie la molécule d’eau à l’anode en suivant la réaction d’oxydation :The electric current dissociates the water molecule at the anode by following the oxidation reaction:
[Chem 2][Chem 2]
H2O(l) → 1/2 O2(g) + 2 H+ (aq)+ 2e− H 2 O(l) → 1/2 O 2 (g) + 2 H+ (aq)+ 2e −
On parle aussi de réaction OER (Oxygen Evolution Reaction).This is also referred to as the OER (Oxygen Evolution Reaction).
Ensuite, les protons H+migrent vers la cathode à travers la membrane sous l’effet du champ électrique et du gradient de concentration où ils sont réduits en hydrogène moléculaire (avec les électrons provenant du pôle négatif du générateur), d’où le nom de cette technologie d’électrolyseurs « membrane échangeuse de proton ».Next, the H + protons migrate towards the cathode through the membrane under the effect of the electric field and the concentration gradient where they are reduced to molecular hydrogen (with electrons coming from the negative pole of the generator), hence the name of this electrolyzer technology "proton exchange membrane".
De ce fait à la cathode, les protons H+acceptent des électrons en formant de l’hydrogène gazeux (H2), selon la réaction de réduction :Therefore, at the cathode, the protons H + accept electrons, forming hydrogen gas ( H2 ), according to the reduction reaction:
[Chem 3][Chem 3]
2H++ 2 e-→ H2 2 hours++ 2 e-→ H2
On parle aussi de réaction HER (Hydrogen Evolution Reaction).This is also referred to as the HER (Hydrogen Evolution Reaction).
Le détail de la composition et de l'utilisation des catalyseurs pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est largement couvert dans la littérature et on peut citer un article de revue rassemblant les familles de matériaux intéressants en cours de développement depuis ces dix dernières années : P.C.K Vesborg et al. "Recent Development in Hydrogen Evolution Reaction Catalysts and Their Practical Implementation", 2015, où les auteurs décrivent les sulfures, les carbures et les phosphures comme potentiels nouveaux électrocatalyseurs. Parmi les phases sulfures, les dichalcogénures tels que le sulfure de molybdène MoS2sont des matériaux très prometteurs pour la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) en raison de leur activité importante, de leur excellente stabilité et de leur disponibilité, le molybdène et le soufre étant des éléments abondants sur terre et à faible coût. Ils sont particulièrement bien décrits dans l’article de revue consacré aux MoS2pour une application en HER : « Improving intrinsic electrocatalytic activity of layered transition metal chalcogenides as electrocatalysts for water splitting » A. P. Tiwari, K. Kim and S. Jeon, dans Current Opinion in Electrochemistry, 2022, 34,100982.The composition and use of catalysts for hydrogen production by water electrolysis are extensively covered in the literature. A review article summarizing the families of interesting materials under development over the past decade is: PCK Vesborg et al., " Recent Development in Hydrogen Evolution Reaction Catalysts and Their Practical Implementation ," 2015, in which the authors describe sulfides, carbides, and phosphides as potential new electrocatalysts. Among the sulfide phases, dichalcogenides such as molybdenum sulfide ( MoS₂) are very promising materials for the hydrogen evolution reaction (HER) due to their high activity, excellent stability, and availability, as molybdenum and sulfur are abundant and inexpensive elements on Earth. They are particularly well described in the review article on MoS2 for an application in HER: “Improving intrinsic electrocatalytic activity of layered transition metal chalcogenides as electrocatalysts for water splitting” AP Tiwari, K. Kim and S. Jeon, in Current Opinion in Electrochemistry, 2022, 34,100982.
Les matériaux à base de MoS2ont une structure lamellaire. Les phases actives peuvent être utilisées sous forme massique lorsque la conduction des électrons depuis la cathode est suffisante ou bien à l'état supporté, mettant alors en jeu un support de nature différente. Dans ce dernier cas, le support doit avoir des propriétés spécifiques : MoS₂ -based materials have a lamellar structure. The active phases can be used in bulk form when electron conduction from the cathode is sufficient, or in a supported state, which then involves a support of a different nature. In the latter case, the support must have specific properties:
- grande surface spécifique pour promouvoir la dispersion de la phase active ;- large specific surface area to promote the dispersion of the active phase;
- très bonne conductivité électronique ;- very good electronic conductivity;
- stabilité chimique et électrochimique dans les conditions d’électrolyse de l’eau (milieu acide et potentiel élevé).- chemical and electrochemical stability under water electrolysis conditions (acidic medium and high potential).
Le carbone est le support le plus couramment utilisé dans cette application. Tout l’enjeu réside dans la préparation de cette phase sulfurée sur le matériau conducteur.Carbon is the most commonly used support in this application. The key lies in the preparation of this sulfide phase on the conductive material.
Il est admis qu'un catalyseur présentant un fort potentiel catalytique se caractérise par une phase active associée parfaitement dispersée à la surface du support et présentant une teneur en phase active élevée. Notons également que, idéalement, le catalyseur doit présenter une accessibilité des sites actifs vis-à-vis des réactifs, ici les protons, tout en développant une surface active élevée, ce qui peut conduire à des contraintes spécifiques en termes de structure et de texture, propres au support constitutif desdits catalyseurs.It is generally accepted that a catalyst with high catalytic potential is characterized by an associated active phase that is perfectly dispersed across the surface of the support and has a high active phase content. Ideally, the catalyst should also offer accessibility of its active sites to the reactants, in this case protons, while simultaneously developing a large active surface area. This can lead to specific constraints in terms of structure and texture, inherent to the support constituting these catalysts.
Les méthodes usuelles conduisant à la formation de la phase active des matériaux catalytiques pour l’électrolyse de l’eau consistent en un dépôt de précurseur(s) comprenant au moins un métal du groupe VIB, et éventuellement au moins un métal du groupe VIII, sur un support par la technique dite "d’imprégnation à sec" ou par la technique dite "d’imprégnation en excès", suivi d’au moins un traitement thermique éventuel pour évacuer l’eau et d’une étape finale de sulfuration génératrice de la phase active, comme mentionnée ci-dessus.The usual methods leading to the formation of the active phase of catalytic materials for the electrolysis of water consist of a deposition of precursor(s) comprising at least one metal from group VIB, and possibly at least one metal from group VIII, on a support by the so-called "dry impregnation" technique or by the so-called "excess impregnation" technique, followed by at least one possible heat treatment to remove the water and a final sulfidation step generating the active phase, as mentioned above.
Il apparaît intéressant de trouver des moyens de préparation des catalyseurs pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, permettant d'obtenir de nouveaux catalyseurs à performances améliorées.It appears interesting to find ways of preparing catalysts for the production of hydrogen by electrolysis of water, making it possible to obtain new catalysts with improved performance.
L’amélioration des performances électrocatalytiques des électrocatalyseurs composés de MoS2peut être décrite par les deux principes proposés par Li Xin Chen et al.« Design of Dual-Modified MoS 2 with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction », 2018, à savoir l’augmentation du nombre de sites actifs ou de l’activité intrinsèque de ces derniers.The improvement of the electrocatalytic performance of electrocatalysts composed of MoS2 can be described by the two principles proposed by Li Xin Chen et al. “Design of Dual-Modified MoS2 with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction” , 2018, namely the increase in the number of active sites or the intrinsic activity of the latter.
Concernant l’augmentation du nombre de sites actifs, on pourra citer les structures nanoporeuses, les hétérostructures et les morphologies 3D, 2D ou 1D tels que les nanofleurs, nanofeuillets ou nanotubes (Cf article de D. Vory et al., «Conducting MoS2 Nanosheets as Catalysts for Hydrogen Evolution », 2013). La création de nouveaux sites actifs grâce au dopage et/ou la création de lacune de soufre éventuellement comblées par des atomes de Mo, notamment sur le plan basal, comme décrit dans les articles de N. Abidi et al.« Revisiting the Active Sites at the MoS 2 /H 2 O Interface via Grand-Canonical DFT: The Role of Water Dissociation», 2020et «How to dope the basal plane of 2H-MoS 2 to boost the hydrogen evolution reaction? », 2023 .Regarding the increase in the number of active sites, we can cite nanoporous structures, heterostructures, and 3D, 2D, or 1D morphologies such as nanoflowers, nanosheets, or nanotubes (see article by D. Vory et al., " Conducting MoS2 Nanosheets as Catalysts for Hydrogen Evolution," 2013). The creation of new active sites through doping and/or the creation of sulfur vacancies, potentially filled by Mo atoms, particularly on the basal plane, as described in the articles by N. Abidi et al ., "Revisiting the Active Sites at the MoS2 / H2O Interface via Grand-Canonical DFT: The Role of Water Dissociation," 2020 , and " How to dope the basal plane of 2H-MoS2 to boost the hydrogen evolution reaction?" , 2023.
Concernant l’augmentation de l’activité intrinsèque des sites actifs, de nombreuses stratégies sont également envisageables, parmi lesquelles :Regarding increasing the intrinsic activity of active sites, numerous strategies are also conceivable, including:
- L’intégration de nanomatériaux conducteurs tels que le graphène ou les métaux nanoporeux, décrit dans l’article de J Joyner« Graphene Supported MoS 2 Structures with High Defect Density for an Efficient HER Electrocatalysts», 2020.- The integration of conductive nanomaterials such as graphene or nanoporous metals, described in the article by J Joyner "Graphene Supported MoS 2 Structures with High Defect Density for an Efficient HER Electrocatalysts" , 2020.
- Le renforcement de l’activité intrinsèque des bords via le dopage par du nickel nanoporeux par exemple comme décrit dans l’article de L. X. Chenet al. ,«Design of Dual-Modified MoS 2 with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction», 2018.- Reinforcement of the intrinsic activity of the edges via doping with nanoporous nickel for example as described in the article by LX Chenet al., "Design of Dual-Modified MoS 2 with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction" , 2018.
La fluoration est un procédé chimique permettant de doper un matériau par des atomes de fluor. En effet, le fluor constitue un élément à part dans la classification périodique car il possède l’électronégativité la plus élevée, une faible taille et une stabilité importante. Toutefois, les procédés de fluoration sont encore peu utilisés pour modifier les structures lamellaires de type MoS2et notamment pour une application en électrolyse de l’eau.Fluoridation is a chemical process that dopes a material with fluorine atoms. Fluorine is a unique element in the periodic table because it has the highest electronegativity, a small size, and significant stability. However, fluoriation processes are still not widely used to modify layered structures such as MoS₂ , particularly for applications in water electrolysis.
Pourtant, l’atome de fluor étant très électronégatif, il peut induire une modification significative de la structure électronique du MoS2. De plus, l’énergie de substitution du soufre par le fluor étant négative, il est donc aisé de remplacer les atomes de soufre par des atomes de fluor au sein de la structure MoS2(cf. article de R. Zhang, et al. ,«Creating Fluorine-Doped MoS 2 Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity», 2021).However, since the fluorine atom is very electronegative, it can induce a significant change in the electronic structure of MoS2 . Moreover, since the substitution energy of sulfur by fluorine is negative, it is therefore easy to replace sulfur atoms with fluorine atoms within the MoS2 structure (see article by R. Zhang, et al., "Creating Fluorine-Doped MoS2 Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity" , 2021).
La réaction des atomes de fluor avec le matériau peut également engendrer la création d’un nouveau matériau contenant du fluor (fluorures, oxyfluorures, etc…) et/ou la conversion du matériau en un nouveau présentant des lacunes car certains atomes se recombinent avec des atomes de fluor pour générer des composés volatils. Dans le cas du MoS2, la fluoration peut consommer les atomes de Mo et de S pour former MoF6(g) et SF6(g), ce qui peut créer des porosités et augmenter ainsi la surface spécifique de celui-ci. La fluoration est donc à la fois une méthode de dopage permettant de créer des nouveaux sites actifs sur les plans de bord, mais aussi de modifier la morphologie du matériau.The reaction of fluorine atoms with the material can also lead to the creation of a new material containing fluorine (fluorides, oxyfluorides, etc.) and/or the conversion of the material into a new one with vacancies, as some atoms recombine with fluorine atoms to generate volatile compounds. In the case of MoS₂ , fluorination can consume Mo and S atoms to form MoF₆ (g) and SF₆ (g), which can create porosities and thus increase its specific surface area. Fluorination is therefore both a doping method that allows the creation of new active sites on the material's edges and a means of modifying its morphology.
On trouve plusieurs types de procédés de fluoration dans l’art antérieur pour fluorer les matériaux catalytiques. Copetti Gabreila et E. H. Nunes, «Tuning MoS 2 reactivity toward halogenation », 2019, divulgue une fluoration par exposition à un agent fluorant du type XeF2qui libère du fluor par décomposition.Several types of fluorination processes for fluorinating catalytic materials are found in the prior art. Copetti Gabreila and EH Nunes, " Tuning MoS2 reactivity toward halogenation" , 2019, disclose a fluorination by exposure to a fluorinating agent of the XeF2 type which releases fluorine by decomposition.
G. Venkateswarlu, et al. “Electroanalytical characterization of F-doped MoS 2 cathode material for rechargeable magnesium battery”, 2019, D. Gao, et al.«Tunable Ferromagnetic Ordering in MoS 2 nanosheets with Fluorine Adsorption»2015, et Y. Wang, et al. «Fluorine- and Nitrogen-Codoped MoS 2 with a Catalytically Active Basal Plane», 2017, divulguent une fluoration par voie hydrothermale consistant à dissoudre du MoS2dans une solution d’espèce fluorée aqueuse tels que HBF4(aq)ou NH4F(aq) puis à réaliser un traitement thermique en bombe hydrothermale.G. Venkateswarlu, et al. “ Electroanalytical characterization of F-doped MoS 2 cathode material for rechargeable magnesium battery” , 2019, D. Gao, et al. “Tunable Ferromagnetic Ordering in MoS 2 nanosheets with Fluorine Adsorption” 2015, and Y. Wang, et al . “Fluorine- and Nitrogen-Codoped MoS 2 with a Catalytically Active Basal Plane” , 2017, disclose a hydrothermal fluorination consisting of dissolving MoS 2 in a solution of aqueous fluorinated species such as HBF 4 (aq) or NH 4 F(aq) and then carrying out a heat treatment in a hydrothermal bomb.
Enfin, S.-S. Chee et al.«Substitutional Fluorine Doping of Large-Area Molybdenum Disulfide Monolayer Films for Flexible Inverter Device Arrays», 2020 et R. Zhang et al.«Creating Fluorine-Doped MoS 2 Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity», 2021 divulguent un procédé de fluoration par exposition sous plasma en présence d’une espèce fluorée tels que SF6ou CHF3.Finally, S.-S. Chee et al. “Substitutional Fluorine Doping of Large-Area Molybdenum Disulfide Monolayer Films for Flexible Inverter Device Arrays” , 2020 and R. Zhang et al. “Creating Fluorine-Doped MoS2 Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity” , 2021 disclose a fluorination process by plasma exposure in the presence of a fluorinated species such as SF6 or CHF3 .
L’art antérieur cité précédemment montre clairement un effet bénéfique de la fluoration sur les performances électrocatalytiques de MoS2en HER acide. Toutefois, l’art antérieur ne divulgue pas de procédé de préparation de matériau MoS2par fluoration directe par le difluor F2sous forme gazeuse (appelé aussi ici indifféremment difluor, ou F2ou encore F2(g)). Or, l’utilisation du difluor offre une grande efficacité de fluoration compte tenu de la très forte réactivité du F2(g) (l’énergie de dissociation du fluor moléculaire est relativement faible (153 kJ.mol-1) ce qui lui confère une réactivité exceptionnelle, et aux grandes quantités de fluor potentiellement engageables qui vont modifier la morphologie et la structure du MoS2.The prior art cited above clearly demonstrates a beneficial effect of fluorination on the electrocatalytic performance of MoS₂ in acidic HER. However, the prior art does not disclose a process for preparing MoS₂ material by direct fluorination with gaseous difluorine F₂ (also referred to here interchangeably as difluor, F₂ , or F₂ (g)). Yet, the use of difluorine offers high fluorination efficiency given the very high reactivity of F₂ (g) (the dissociation energy of molecular fluorine is relatively low (153 kJ.mol⁻¹ ), which gives it exceptional reactivity), and the large quantities of potentially committable fluorine that will modify the morphology and structure of MoS₂ .
La fluoration directe est définie comme un phénomène de diffusion contrôlée où seule l’extrême surface du matériau est atteinte. Il permet d’envisager la modification des propriétés de surface d’un matériau sans que ses propriétés intrinsèques ne soient changées si la fluoration est parfaitement contrôlée.Direct fluorination is defined as a controlled diffusion phenomenon where only the outermost surface of the material is affected. It allows for the modification of a material's surface properties without altering its intrinsic properties, provided the fluorination is perfectly controlled.
L’épaisseur de la couche fluorée formée et sa nature chimique ont une importance primordiale dans l’efficacité du traitement par rapport aux propriétés. Ces caractéristiques vont dépendre de la nature du matériau utilisé, de sa composition chimique et sa cristallinité, mais aussi des conditions de synthèses appliquées. Cependant, des limites apparaissent lors de la fluoration dans des conditions trop drastiques. Un large excès de fluor dans le réacteur peut mener à une dégradation du matériau catalytique. Le contrôle des conditions opératoires du procédé de fluoration directe par F2(g) est par conséquent primordiale.The thickness and chemical nature of the fluorinated layer formed are of paramount importance to the treatment's efficiency in relation to its properties. These characteristics depend on the nature of the material used, its chemical composition and crystallinity, as well as the synthesis conditions applied. However, limitations arise during fluorination under overly harsh conditions. A large excess of fluorine in the reactor can lead to degradation of the catalytic material. Therefore, controlling the operating conditions of the direct fluorination process with F₂ (g) is essential.
La Demanderesse a mis au point un nouveau procédé de préparation d’un matériau catalytique permettant d’obtenir une électrode utilisable dans une cellule électrolytique pour la réalisation de réaction de réduction électrochimique, et plus particulièrement permettant d’obtenir une cathode utilisable dans une cellule électrolytique pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau en milieu acide. En effet, la Demanderesse a découvert que la fluoration directe par du difluor d’un matériau à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré permet d’obtenir des performances catalytiques au moins aussi bonnes, voire meilleures, notamment lorsque ce dernier est utilisé en tant que phase catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, et cela encore plus particulièrement lorsque le matériau catalytique est utilisé en tant que phase catalytique d’une cathode pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau en milieu acide.The Applicant has developed a new process for preparing a catalytic material that can be used in an electrolytic cell for electrochemical reduction reactions, and more specifically, for obtaining a cathode that can be used in an electrolytic cell for hydrogen production by acidic water electrolysis. Indeed, the Applicant has discovered that the direct fluorination with difluorine of a material based on at least one metal from group VIB sulfide yields catalytic performance that is at least as good, or even better, particularly when the material is used as the catalytic phase of an electrode for electrochemical reduction reactions, and even more so when the catalytic material is used as the catalytic phase of a cathode for hydrogen production by acidic water electrolysis.
Ce procédé de fluoration spécifique d’un matériau à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré repose sur une fluoration directe à l’aide du gaz difluor dans des conditions opératoires particulières et contrôlées.This specific fluorination process for a material based on at least one metal from group VIB sulfide relies on direct fluorination using difluor gas under specific and controlled operating conditions.
La présente invention a pour premier objet un procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau catalytique comprenant une phase active à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :The present invention relates first to a method for preparing a catalytic material for an electrode for electrochemical reduction reactions, said catalytic material comprising an active phase based on at least one metal from group VIB and fluorine, said method comprising at least the following steps:
a) on approvisionne un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré ;a) a solid material is supplied based on at least one metal from group VIB sulfide;
b) on réalise une étape de fluoration du matériau solide approvisionné à l’étape a) en présence d’un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 et 0,2 MPa, une P.P.H comprise entre 0,01 et 200 h-1, pour obtenir ledit matériau catalytique.b) a fluorination step is carried out on the solid material supplied in step a) in the presence of a gas comprising at least difluorine, at a temperature between -50°C and 150°C, for a duration between 15 seconds and 120 minutes, with a concentration of difluorine in the gas between 0.1 and 100% by volume relative to the total volume of said gas, a pressure between 0.001 and 0.2 MPa, and a PPH between 0.01 and 200 h -1 , to obtain said catalytic material.
De préférence la concentration en difluor dans le gaz utilisé à l’étape b) est comprise entre 1% et 50% volume par rapport au volume total dudit gaz de fluoration.Preferably the concentration of difluor in the gas used in step b) is between 1% and 50% by volume relative to the total volume of said fluorinating gas.
Avantageusement, la durée de l’étape b) est comprise entre 1minute et 60 minutes.Advantageously, the duration of step b) is between 1 minute and 60 minutes.
Avantageusement, la durée de l’étape b) est comprise entre 1minute et 20 minutes.Advantageously, the duration of step b) is between 1 minute and 20 minutes.
De préférence, le gaz utilisé dans l’étape b) comprend un gaz inerte choisi parmi le diazote (N2), l’argon (Ar), l’hélium (He).Preferably, the gas used in step b) comprises an inert gas selected from dinitrogen (N 2 ), argon (Ar), helium (He).
De préférence, à l’étape a) ledit métal du groupe VIB est choisi parmi le molybdène ou le tungstène.Preferably, in step a) said metal of group VIB is chosen from molybdenum or tungsten.
Avantageusement, lequel ledit métal du groupe VIB est le molybdène.Advantageously, which of the VIB group metals is molybdenum.
De préférence, le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré approvisionné à l’étape a) est sous forme massive ou supporté sur un support électro-conducteur.Preferably, the solid material based on at least one metal from group VIB sulfide supplied in step a) is in bulk form or supported on an electro-conductive support.
Avantageusement, le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré approvisionné à l’étape a) est supporté sur un support électro-conducteur.Advantageously, the solid material based on at least one metal from group VIB sulfide supplied in step a) is supported on an electro-conductive support.
Avantageusement, le support électro-conducteur est du carbone.Advantageously, the electro-conductive support is carbon.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de préparation d’une électrode comprenant les étapes suivantes :Another object of the invention relates to a method for preparing an electrode comprising the following steps:
1) on prépare une encre en réalisant les sous étapes suivantes :1) We prepare an ink by carrying out the following sub-steps:
1a) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère de type conducteur ionique ;1a) at least one ionically conductive polymer binder is dissolved in a solvent or a mixture of solvents;
1b) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1a) au moins un matériau catalytique préparé selon l’invention sous forme de poudre ;1b) at least one catalytic material prepared according to the invention in powder form is added to the solution obtained in step 1a);
les étapes 1a), 1b) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;steps 1a), 1b) being carried out in any order, or simultaneously;
2) on dépose l’encre obtenue à l’étape 1) sur une membrane, ou un collecteur conducteur électronique.2) the ink obtained in step 1) is deposited onto a membrane, or an electronically conductive collector.
De préférence, on ajoute à l’étape 1) un support électro-conducteur dans l’encre.Preferably, an electro-conductive support is added to the ink in step 1).
Un autre objet de l’invention concerne un dispositif d’électrolyse comprenant une anode, une cathode, un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de l’anode ou de la cathode est une électrode préparée selon l’invention.Another object of the invention relates to an electrolysis device comprising an anode, a cathode, an electrolyte, said device being characterized in that at least one of the anode or cathode is an electrode prepared according to the invention.
Un autre objet de l’invention concerne l’utilisation du dispositif d’électrolyse selon l’invention dans des réactions électrochimiques.Another object of the invention relates to the use of the electrolysis device according to the invention in electrochemical reactions.
De préférence, ledit dispositif est utilisé en tant que :Preferably, said device is used as:
- dispositif d’électrolyse de l’eau pour la production d’un mélange gazeux d’hydrogène et d’oxygène et/ou la production d’hydrogène seul ;- water electrolysis device for the production of a gaseous mixture of hydrogen and oxygen and/or the production of hydrogen alone;
- dispositif d’électrolyse de l’azote pour la production d’ammoniac ;- nitrogen electrolysis device for the production of ammonia;
- dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone pour la production d’acide formique, de CO et d’éthylène ;- carbon dioxide electrolysis device for the production of formic acid, CO and ethylene;
- dispositif de pile à combustible pour la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène.- fuel cell device for the production of electricity from hydrogen and oxygen.
Dans la suite, les groupes d'éléments chimiques sont donnés selon la classification CAS (CRC Handbook of Chemistry and Physics, éditeur CRC press, rédacteur en chef D.R. Lide, 81èmeédition, 2000-2001). Par exemple, le groupe VIII selon la classification CAS correspond aux métaux des colonnes 8, 9 et 10 selon la nouvelle classification IUPAC.In what follows, the groups of chemical elements are given according to the CAS classification (CRC Handbook of Chemistry and Physics, publisher CRC Press, editor-in-chief DR Lide, 81st edition, 2000-2001). For example, group VIII according to the CAS classification corresponds to the metals in columns 8, 9, and 10 according to the new IUPAC classification.
On entend par surface BET, la surface spécifique déterminée par adsorption d'azote conformément à la norme ASTM D 3663-78 établie à partir de la méthode BRUNAUER – EMMET – TELLER décrite dans le périodique "The journal of the American Chemical Society", 60, 309 (1938).BET surface refers to the specific surface area determined by nitrogen adsorption in accordance with ASTM D 3663-78, established from the BRUNAUER – EMMET – TELLER method described in the periodical "The Journal of the American Chemical Society", 60, 309 (1938).
ElectrodeElectrode
Une électrode est la couche qui contient le matériau catalytique qui est le lieu des réactions électrochimiquesAn electrode is the layer containing the catalytic material that is the site of electrochemical reactions.
Collecteur de courantCurrent collector
Un collecteur de courant est une couche qui permet le transport des électrons depuis ou vers les électrodes. Il peut être dense comme du carbone vitreux dans un montage à trois électrodes ou poreux comme la PTL (Porous Transport Layer selon la terminologie anglo-saxonne) ou la plaque bipolaire permettant le transport des fluides dans un électrolyseur.A current collector is a layer that allows the transport of electrons to or from the electrodes. It can be dense, like glassy carbon in a three-electrode setup, or porous, like the PTL (Porous Transport Layer) or the bipolar plate used for fluid transport in an electrolyzer.
EncreInk
Une encre est un mélange de poudre de matière active ici à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor, un agent conducteur, un agent liant, et un solvant qui entre dans la formulation d’une électrode. Cette « encre » est ensuite déposée sur le collecteur de courant ou sur la membrane côté cathode puis séchée, ce qui permet, après assemblage, d’obtenir l’électrode qui est positionnée entre le collecteur de courant et la membraneAn ink is a mixture of powdered active material (in this case, based on at least one metal from group VIB and fluorine), a conductive agent, a binding agent, and a solvent, which forms part of the electrode formulation. This "ink" is then deposited onto the current collector or the cathode side of the membrane and dried. After assembly, this process yields the electrode, which is positioned between the current collector and the membrane.
P.P.H.P.P.H.
Par vitesse massique horaire (P.P.H), on entend le débit massique de la charge gazeuse en entrée de réacteur en kg/h divisé par la masse de catalyseur en kg contenu dans le réacteur.By hourly mass velocity (P.P.H), we mean the mass flow rate of the gaseous feed into the reactor in kg/h divided by the mass of catalyst in kg contained in the reactor.
La teneur en métal du groupe VIB est mesurée par fluorescence X et est donnée en pourcentage poids par rapport à la masse totale du matériau catalytique.The metal content of group VIB is measured by X-ray fluorescence and is given as a percentage by weight relative to the total mass of the catalytic material.
Les ratios atomiques Fluor/élément du groupe VIB sont déterminés par Spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et par Spectrométrie photoélectronique (XPS).The Fluorine/VIB group element atomic ratios are determined by Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) and by Photoelectron Spectrometry (XPS).
Dans la présente demande, les concentrations en difluor dans la phase gazeuse sont données en pourcentage % volumique en difluor par rapport au volume total de gaz.In this application, the concentrations of difluor in the gas phase are given as a percentage (volume % of difluor relative to the total volume of gas).
L’invention concerne un procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau catalytique comprenant une phase active à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
- on approvisionne un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré ;
- on réalise une étape de fluoration du matériau solide approvisionné à l’étape a) en présence d’un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 et 0,2 MPa, une P.P.H comprise entre 0,01 et 200 h-1, pour obtenir ledit matériau catalytique.
- we supply a solid material based on at least one metal from the VIB group sulfide;
- a fluorination step is carried out on the solid material supplied in step a) in the presence of a gas comprising at least difluorine, at a temperature between -50°C and 150°C, for a duration between 15 seconds and 120 minutes, with a concentration of difluorine in the gas between 0.1 and 100% by volume relative to the total volume of said gas, a pressure between 0.001 and 0.2 MPa, and a PPH between 0.01 and 200 h -1 , to obtain said catalytic material.
Les étapes a) et b) sont décrites en détail ci-après.Steps a) and b) are described in detail below.
Etape a)Step a)
On approvisionne un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré. De préférence, le matériau solide est à base de molybdène et/ou de tungstène sulfuré et de manière préférée, le matériau solide est à base de molybdène.We supply a solid material based on at least one metal from group VIB sulfide. Preferably, the solid material is based on molybdenum and/or tungsten sulfide, and preferably, the solid material is based on molybdenum.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, ledit matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré est dopé par un élément dopant choisi parmi le bore, le phosphore et le silicium, le nickel, le cobalt ou le fer, le titane, le zirconium, ou l’hafnium ou additivé avec des composés organiques tel que décrit dans la demande de brevet WO2020/109065.According to one or more embodiments, said solid material based on at least one metal from group VIB sulfide is doped with a doping element selected from boron, phosphorus and silicon, nickel, cobalt or iron, titanium, zirconium, or hafnium or added with organic compounds as described in patent application WO2020/109065.
Le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré peut être utilisé sous forme massique lorsque la conduction des électrons depuis la cathode est suffisante ou bien à l'état supporté, mettant alors en jeu un support de nature différente. De préférence, le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré est supporté sur un support.The solid material based on at least one metal from group VIB sulfide can be used in bulk form when electron conduction from the cathode is sufficient, or in a supported state, which then involves a support of a different nature. Preferably, the solid material based on at least one metal from group VIB sulfide is supported on a substrate.
Ledit support comprend au moins un matériau électro-conducteur.The said support comprises at least one electrically conductive material.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ledit support comprend au moins un matériau électro-conducteur choisi parmi les structures carbonées de type noir de carbone, le graphite, les nanotubes de carbone ou le graphène.In a particular embodiment of the invention, said support comprises at least one electrically conductive material selected from carbon structures such as carbon black, graphite, carbon nanotubes or graphene.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ledit support comprend au moins un matériau électro-conducteur choisi parmi l’or, le cuivre, l’argent, le titane, le silicium, le dioxyde d'étain dopé au fluor, et l’oxyde d'indium et d'étain.In a particular embodiment of the invention, said support comprises at least one electroconductive material selected from gold, copper, silver, titanium, silicon, fluorine-doped tin dioxide, and indium tin oxide.
Un matériau poreux et non électro-conducteur peut être rendu électro-conducteur en déposant à la surface de celui-ci un matériau électro-conducteur ; citons par exemple un oxyde réfractaire, tel qu’une alumine, au sein de laquelle on dépose du carbone graphitique.A porous and non-electrically conductive material can be made electrically conductive by depositing an electrically conductive material on its surface; for example, a refractory oxide, such as alumina, within which graphitic carbon is deposited.
Le support du matériau catalytique présente avantageusement une surface spécifique BET (SS) supérieure à 75 m2/g, de préférence supérieure à 100 m2/g, de manière très préférée supérieure à 130 m2/g.The catalytic material support advantageously has a specific surface area BET (SS) greater than 75 m² /g, preferably greater than 100 m² /g, most preferably greater than 130 m² /g.
Le support du matériau peut être ajouté au cours de la préparation du matériau catalytique et/ou au cours de la préparation de l’électrode.The material support can be added during the preparation of the catalytic material and/or during the preparation of the electrode.
Le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré peut provenir d’une source commerciale ou préparé par des procédés connus de l’art antérieur.The solid material based on at least one metal from group VIB sulfide may come from a commercial source or be prepared by processes known from the prior art.
Lorsque le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré est supporté sur un support, le dépôt sur un support dudit matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB est réalisé selon les sous-étapes suivantes :When the solid material based on at least one metal from group VIB sulfide is supported on a support, the deposition of said solid material based on at least one metal from group VIB onto a support is carried out according to the following substeps:
a1) une étape de mise en contact dudit support par au moins une solution contenant au moins un précurseur d’au moins un métal du groupe VIB;a1) a step of bringing said support into contact with at least one solution containing at least one precursor of at least one metal from group VIB;
a2) optionnellement, une étape de mise en contact du support avec au moins une solution contenant au moins un précurseur d’un dopant ;a2) optionally, a step of bringing the support into contact with at least one solution containing at least one precursor of a dopant;
les étapes a1) et a2), si toutes deux réalisées, étant réalisées dans un ordre indifférent ou simultanément et permettent d’obtenir le matériau solide imprégné supporté humide ;steps a1) and a2), if both carried out, being carried out in any order or simultaneously and allow obtaining the impregnated solid material supported wet;
a3) une étape de traitement thermique du matériau solide imprégné supporté humide obtenu à l’issu des étapes a1) et optionnellement a2) pour obtenir un matériau solide séché,a3) a heat treatment step of the wet-supported impregnated solid material obtained at the end of steps a1) and optionally a2) to obtain a dried solid material,
a4) une étape de sulfuration du matériau solide séché obtenu à l’issue de l’étape a3) pour obtenir ledit matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré supporté.a4) a step of sulfidation of the dried solid material obtained at the end of step a3) to obtain said solid material based on at least one supported sulfided metal from group VIB.
Avantageusement, l’étape de mise en contact du support avec au moins un précurseur d’au moins un métal du groupe VIB, conformément à la mise en œuvre de l’étape a1), peut être réalisée par imprégnation, à sec ou en excès, ou encore par dépôt – précipitation, selon des méthodes bien connues de l'Homme du métier. De manière préférée, ladite étape a1) est réalisée par imprégnation à sec, laquelle consiste à mettre en contact le support avec une solution, contenant au moins un précurseur d’au moins un métal du groupe VIB dont le volume de la solution est compris entre 0,25 et 1,5 fois le volume poreux du support à imprégner.Advantageously, the step of contacting the substrate with at least one precursor of at least one metal from group VIB, in accordance with the implementation of step a1), can be carried out by impregnation, either dry or in excess, or by deposition-precipitation, according to methods well known to those skilled in the art. Preferably, said step a1) is carried out by dry impregnation, which consists of contacting the substrate with a solution containing at least one precursor of at least one metal from group VIB, the volume of which is between 0.25 and 1.5 times the porosity volume of the substrate to be impregnated.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, ledit précurseur d’au moins un métal du groupe VIB, ajouté à l’étape a1) est choisi parmi :According to one or more embodiments, said precursor of at least one metal from group VIB, added in step a1), is chosen from:
-les polyoxométallates répondant à la formule (HhXxMmOy)q-dans laquelle H est l’hydrogène, X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), O étant l'oxygène, h étant un entier compris entre 0 et 12, x étant un entier compris entre 0 et 4, m étant un entier égal à 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ou 18, y étant un entier compris entre 17 et 72 et q étant un entier compris entre 1 et 20 ;-polyoxometalates corresponding to the formula (H h X x M m O y ) q- in which H is hydrogen, X is an element chosen from phosphorus (P), silicon (Si), boron (B), said element being taken alone, M is one or more element(s) chosen from molybdenum (Mo), tungsten (W), O being oxygen, h being an integer between 0 and 12, x being an integer between 0 and 4, m being an integer equal to 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 or 18, y being an integer between 17 and 72 and q being an integer between 1 and 20;
-les sels de précurseurs des éléments du groupe VIB ; et-precursor salts of elements in group VIB; and
-les précurseurs organiques ou inorganiques à base de Mo ou de W.-organic or inorganic precursors based on Mo or W.
Le précurseur d'un élément dopant utilisé dans l’étape optionnelle a2) est choisi parmi le bore, le phosphore et le silicium, le nickel, le cobalt ou le fer, le titane, le zirconium, ou l’hafnium.The precursor of a dopant element used in the optional step a2) is chosen from boron, phosphorus and silicon, nickel, cobalt or iron, titanium, zirconium, or hafnium.
Avantageusement, des additifs organiques sont introduits dans la solution d'imprégnation au cours de l’étape a1) ou a2) tel que décrit dans la demande WO2020/109065.Advantageously, organic additives are introduced into the impregnation solution during step a1) or a2) as described in application WO2020/109065.
L’étape a3) de traitement thermique est effectué à une température inférieure à 250°C, de préférence inférieure à 180°C, plus préférentiellement inférieure à 120°C. De manière très préférée, le séchage s’effectue à pression réduite à une température n’excédant pas 80°C. Le temps de séchage est compris entre 30 minutes et 24 heures, de préférence entre 30 minutes et 16 heures. De préférence, le temps de séchage n’excède pas 4 heures.Heat treatment step a3) is carried out at a temperature below 250°C, preferably below 180°C, and more preferably below 120°C. Most preferably, drying is carried out under reduced pressure at a temperature not exceeding 80°C. The drying time is between 30 minutes and 24 hours, preferably between 30 minutes and 16 hours. Preferably, the drying time does not exceed 4 hours.
L’étape de séchage peut être effectuée par toute technique connue de l’Homme du métier. Elle est avantageusement effectuée sous une atmosphère inerte ou sous une atmosphère contenant de l’oxygène. Elle est avantageusement effectuée à pression atmosphérique ou à pression réduite.The drying stage can be carried out by any technique known to those skilled in the art. It is advantageously carried out under an inert atmosphere or under an atmosphere containing oxygen. It is advantageously carried out at atmospheric pressure or at reduced pressure.
L’étape a4) de sulfuration est destinée à sulfurer au moins partiellement le métal du groupe VIB. Elle peut être réalisée avantageusement à l'aide d'un mélange gazeux H2S/H2ou H2S/N2contenant au moins 5% volumique d'H2S dans le mélange ou sous flux d’H2S pur à une température comprise entre 100°C et 600°C, sous une pression totale égale ou supérieure à 0,1 MPa pendant au moins 2 heures.Step a4) of sulfidation is intended to sulfide at least partially the metal of group VIB. It can advantageously be carried out using a gaseous mixture H2S / H2 or H2S / N2 containing at least 5% vol of H2S in the mixture or under a flow of pure H2S at a temperature between 100°C and 600°C, under a total pressure equal to or greater than 0.1 MPa for at least 2 hours.
Le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré peut également être préparé, tel que décrit dans le brevet FR3089134.The solid material based on at least one metal from group VIB sulfide can also be prepared, as described in patent FR3089134.
Etape b)Step b)
L’étape b) de fluoration du matériau solide approvisionné à l’étape a) consiste en la mise en contact dudit matériau solide en présence d’un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 % et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 MPa et 0,2 MPa, une V.V.H comprise entre 0,01 et 200 h-1, pour obtenir ledit matériau catalytique.Step b) of fluorinating the solid material supplied in step a) consists of bringing said solid material into contact with a gas comprising at least difluorine, at a temperature between -50°C and 150°C, for a duration between 15 seconds and 120 minutes, a concentration of difluorine in the gas between 0.1% and 100% volume relative to the total volume of said gas, a pressure between 0.001 MPa and 0.2 MPa, a VVH between 0.01 and 200 h -1 , to obtain said catalytic material.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température de fluoration est comprise entre 0°C et 40°C, et de préférence entre 0 °C et 25°C.According to one or more embodiments, the fluoridation temperature is between 0°C and 40°C, and preferably between 0°C and 25°C.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la durée de fluoration est comprise entre 1 minute et 60 minutes, et de préférence entre 1 minute et 20 minutes.According to one or more embodiments, the fluoridation time is between 1 minute and 60 minutes, and preferably between 1 minute and 20 minutes.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la concentration en difluor dans le gaz est comprise entre 1% et 50%, de préférence entre 1 et 10%.According to one or more embodiments, the concentration of difluor in the gas is between 1% and 50%, preferably between 1% and 10%.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le difluor est dilué dans un gaz inerte choisi parmi le diazote, l’hélium, ou l’argon.According to one or more embodiments, difluorine is diluted in an inert gas chosen from dinitrogen, helium, or argon.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la mise en contact du matériau solide avec le gaz comprenant au moins du difluor est réalisée selon les mises en œuvre connue de l’Homme du métier. Sans que cela soit exhaustif, on citera les mises en œuvre en réacteur à lit traversé en écoulement ascendant ou descendant, en lit léché, ou en lit fluidisé. L’Homme du métier veillera à purger l’atmosphère au sein du réacteur par un gaz inerte, que ce soit avant la réaction pour éliminer les traces d’humidité et d’oxygène résiduel, ou après, pour éliminer les molécules de fluor moléculaire n’ayant pas réagi. L’étape de purge préalable à chaque fluoration est importante puisqu’elle permet d’éliminer toutes les traces d’humidité potentielles. En effet, le fluor moléculaire F2se combine facilement avec l’humidité résiduelle au sein du réacteur pour former de l’acide fluorhydrique (HF). Le contrôle des conditions de fluoration est primordial afin d’éviter d’augmenter de façon aléatoire la cinétique de la réaction de l’échantillon et d’atteindre une inhomogénéité à la surface des matériaux traités lors de l’introduction du mélange gazeux fluoré réactionnel dans le réacteur. En effet, l’acide fluorhydrique généré peut catalyser la réaction et induire des inhomogénéités à la surface des matériaux traités.In one or more embodiments, the contact between the solid material and the gas containing at least difluorine is carried out according to methods known to those skilled in the art. These methods include, but are not limited to, flow-through-bed reactors with upward or downward flow, licked-bed reactors, and fluidized-bed reactors. Those skilled in the art shall ensure that the atmosphere within the reactor is purged with an inert gas, either before the reaction to remove traces of residual moisture and oxygen, or afterward to remove unreacted molecular fluorine molecules. The purging step prior to each fluorination is important as it eliminates all potential traces of moisture. Indeed, molecular fluorine (F₂ ) readily combines with residual moisture within the reactor to form hydrofluoric acid (HF). Controlling the fluorination conditions is crucial to avoid randomly increasing the reaction kinetics of the sample and to prevent inhomogeneity on the surface of the treated materials when the fluorinated gas mixture is introduced into the reactor. Indeed, the hydrofluoric acid generated can catalyze the reaction and induce inhomogeneities on the surface of the treated materials.
Matériau catalytiqueCatalytic material
Le matériau obtenu présente des ratios atomiques F/Mo compris entre 0,01 et 200. De manière préférée, le ratio F/Mo est compris entre 0,05 et 1 et de manière très préférée entre 0,1 et 1.The material obtained has F/Mo atomic ratios between 0.01 and 200. Preferably, the F/Mo ratio is between 0.05 and 1 and very preferably between 0.1 and 1.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le matériau catalytique est massif. Dans ce mode de réalisation, la teneur en métal du groupe VIB dans le matériau catalytique obtenu à l’issu de l’étape de fluoration b) est de 100% poids en élément métallique par rapport au poids du matériau catalytique.In a particular embodiment of the invention, the catalytic material is in bulk. In this embodiment, the content of metal from group VIB in the catalytic material obtained after fluoridation step b) is 100% by weight of the metallic element relative to the weight of the catalytic material.
Dans un autre mode de réalisation particulier de l’invention, le matériau catalytique est supporté sur un support électro-conducteur. Dans ce mode de réalisation, la teneur en métal du groupe VIB dans le matériau catalytique obtenu à l’issu de l’étape de fluoration b) est comprise entre 4 et 60% poids en élément métallique par rapport au poids du matériau catalytique final, et de manière préférée entre 7 et 50% poids par rapport au poids du matériau catalytique. De plus la densité surfacique qui correspond à la quantité d'atomes de métal du groupe VIB déposés par unité surfacique de support sera avantageusement comprise entre 0,5 et 20 atomes d’élément métallique par nanomètres carré de support et de manière préférée entre 2 et 15 atomes d’élément métallique par nanomètres carré de support.In another particular embodiment of the invention, the catalytic material is supported on an electrically conductive support. In this embodiment, the content of group VIB metals in the catalytic material obtained after fluorination step b) is between 4 and 60% by weight of the metal element relative to the weight of the final catalytic material, and preferably between 7 and 50% by weight relative to the weight of the catalytic material. Furthermore, the surface density, which corresponds to the quantity of group VIB metal atoms deposited per unit area of support, is advantageously between 0.5 and 20 atoms of the metal element per square nanometer of support, and preferably between 2 and 15 atoms of the metal element per square nanometer of support.
Le matériau catalytique susceptible d’être obtenu par le procédé de préparation selon l’invention peut être utilisé en tant que matériau catalytique d’électrode apte à être utilisé pour des réactions électrochimiques, et en particulier pour l’électrolyse de l’eau en électrolyseur membranaire (PEM « proton exchange membrane » ou AEM « anion exchange membrane »).The catalytic material that can be obtained by the preparation process according to the invention can be used as a catalytic electrode material suitable for use in electrochemical reactions, and in particular for the electrolysis of water in a membrane electrolyzer (PEM "proton exchange membrane" or AEM "anion exchange membrane").
Avantageusement, l’électrode comprend un matériau catalytique obtenu par le procédé de préparation selon l’invention, un support électro-conducteur et un liant. Ce mélange est obtenu après dépôt de « l’encre » et le séchage.Advantageously, the electrode comprises a catalytic material obtained by the preparation process according to the invention, an electro-conductive support, and a binder. This mixture is obtained after deposition of the "ink" and drying.
Le procédé de préparation de l’électrode est décrit ci-après.The electrode preparation process is described below.
L’électrode peut être préparée selon des techniques bien connues de l’Homme du métier. Plus particulièrement, l’électrode est formulée par un procédé de préparation comprenant les étapes suivantes :The electrode can be prepared using techniques well known to those skilled in the art. More specifically, the electrode is formulated by a preparation process comprising the following steps:
1) on prépare une encre en réalisant les sous étapes suivantes ;1) We prepare an ink by carrying out the following sub-steps;
1a) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère de type conducteur ionique ;1a) at least one ionically conductive polymer binder is dissolved in a solvent or a mixture of solvents;
1b) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1a) au moins un matériau catalytique préparé selon l’invention, sous forme de poudre ;1b) at least one catalytic material prepared according to the invention, in powder form, is added to the solution obtained in step 1a);
les étapes 1a), 1b) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;steps 1a), 1b) being carried out in any order, or simultaneously;
2) on dépose l’encre obtenue à l’étape 1) sur une membrane, ou un collecteur conducteur électronique.2) the ink obtained in step 1) is deposited onto a membrane, or an electronically conductive collector.
L’électrode obtenue à la suite des étapes 1) et 2) est ensuite séchée soit à l’air libre soit sous atmosphère contrôlé (typiquement sous azote ou argon) à une température comprise entre 5°C et 100°C, préférentiellement entre 15°C et 60°C et à une pression comprise entre 0,0001MPa et 0,1MPa.The electrode obtained following steps 1) and 2) is then dried either in open air or under a controlled atmosphere (typically under nitrogen or argon) at a temperature between 5°C and 100°C, preferably between 15°C and 60°C and at a pressure between 0.0001MPa and 0.1MPa.
Etape 1) préparation de l’encreStep 1) Ink preparation
Le liant est de préférence un liant polymère choisi pour ses capacités à être déposé sous forme d’une couche d’épaisseur variable et pour ses capacités de conduction ionique en milieu aqueux et de diffusion des gaz dissous. La couche d’épaisseur variable, avantageusement comprise entre 1 et 500 µm, en particulier de l’ordre de 10 à 100 µm, peut être notamment un gel ou un film.The binder is preferably a polymer binder chosen for its ability to be deposited as a layer of variable thickness and for its ionic conductivity in aqueous media and its diffusion capacity for dissolved gases. The layer of variable thickness, advantageously between 1 and 500 µm, particularly on the order of 10 to 100 µm, can be, in particular, a gel or a film.
Avantageusement, le liant polymère conducteur ionique est :Advantageously, the ionically conductive polymer binder is:
*soit conducteur de groupes anioniques, notamment de groupe hydroxy et est choisi dans le groupe comprenant notamment :*either a conductor of anionic groups, particularly hydroxyl groups, and is chosen from the group including, in particular:
- des polymères stables en milieu aqueux, pouvant être perfluorés, partiellement fluorés ou non fluorés et présentant des groupes cationiques permettant la conduction des anions hydroxydes, lesdits groupes cationiques étant de type ammonium quaternaire, guanidinium, imidazolium, phosphonium, pyridium ou sulfide ;- polymers stable in aqueous media, which may be perfluorinated, partially fluorinated or non-fluorinated and which have cationic groups allowing the conduction of hydroxide anions, said cationic groups being of the quaternary ammonium, guanidinium, imidazolium, phosphonium, pyridium or sulfide type;
- le polybenzimidazole non greffé ;- non-grafted polybenzimidazole;
- le chitosane ; et- chitosan; and
- les mélanges de polymères comprenant au moins un des différents polymères cités précédemment, ledit mélange possédant des propriétés de conducteur anionique ;- polymer mixtures comprising at least one of the different polymers mentioned above, said mixture having anionic conductive properties;
* soit conducteur de groupes cationiques permettant la conduction des protons et est choisi dans le groupe comprenant notamment :* either a conductor of cationic groups enabling the conduction of protons and is chosen from the group including in particular:
- des polymères stables en milieu aqueux, pouvant être perfluorés, partiellement fluorés ou non fluorés et présentant des groupes anioniques permettant la conduction des protons ;- polymers stable in aqueous media, which may be perfluorinated, partially fluorinated or non-fluorinated and which have anionic groups allowing the conduction of protons;
- le polybenzimidazole greffé ;- grafted polybenzimidazole;
- le chitosane ; et- chitosan; and
- les mélanges de polymères comprenant au moins un des différents polymères cités précédemment, ledit mélange possédant des propriétés de conducteur cationique.- polymer mixtures comprising at least one of the different polymers mentioned above, said mixture having cationic conductivity properties.
Parmi les polymères stables en milieu aqueux et présentant des groupes cationiques permettant la conduction d'anions, on peut notamment citer des chaînes polymériques de type perfluoré comme par exemple le polytétrafluoroéthylène (PTFE), de type partiellement fluoré, comme par exemple le polyfluorure de vinylidène (PVDF) ou de type non fluoré comme le polyéthylène, qui seront greffées avec des groupements moléculaires conducteurs anioniques.Among the polymers that are stable in aqueous media and have cationic groups that allow the conduction of anions, we can notably mention perfluorinated polymer chains such as polytetrafluoroethylene (PTFE), partially fluorinated polymer chains such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or non-fluorinated polymer chains such as polyethylene, which will be grafted with anionically conductive molecular groups.
Parmi les polymères stables en milieu aqueux et présentant des groupes anioniques permettant la conduction des protons, on peut considérer toute chaîne polymérique stable en milieu aqueux contenant des groupements tels que -SO3 -, -COO-, -PO3 2-, -PO3H-, -C6H4O-. On peut notamment citer le Nafion®, le polybenzimidazole (PBI) sulfoné phosphoné, le polyétheréthercétone (PEEK) sulfoné ou phosphoné.Among the polymers stable in aqueous media and possessing anionic groups allowing proton conduction, one can consider any polymer chain stable in aqueous media containing groups such as -SO3- , -COO- , -PO32- , -PO3H- , -C6H4O- . Notable examples include Nafion®, sulfonated phosphon polybenzimidazole (PBI), and sulfonated or phosphon polyetheretherketone (PEEK).
Conformément à la présente invention, on peut utiliser tout mélange comprenant au moins deux polymères dont un au moins est choisi dans les groupes de polymères cités précédemment, pourvu que le mélange final soit conducteur ionique en milieu aqueux. Ainsi,on peut citer à titre d'exemple un mélange comprenant un polymère stable en milieu alcalin et présentant des groupes cationiques permettant la conduction des anions hydroxydes avec un polyéthylène non greffé par des groupements moléculaires conducteurs anioniques pourvu que ce mélange final soit conducteur anionique en milieu alcalin. On peut également citer à titre d'exemple un mélange d'un polymère stable en milieu acide ou alcalin et présentant des groupes anioniques ou cationiques permettant la conduction des protons ou des hydroxydes et de polybenzimidazole greffé ou non.According to the present invention, any mixture comprising at least two polymers, at least one of which is selected from the groups of polymers mentioned above, may be used, provided that the final mixture is ionically conductive in aqueous media. For example, a mixture comprising a polymer stable in alkaline media and having cationic groups enabling the conduction of hydroxide anions with polyethylene not grafted by anionically conductive molecular groups may be used, provided that this final mixture is anionically conductive in alkaline media. Another example is a mixture of a polymer stable in acidic or alkaline media and having anionic or cationic groups enabling the conduction of protons or hydroxides with polybenzimidazole, whether grafted or not.
Avantageusement, le polybenzimidazole (PBI) est utilisé dans la présente invention comme liant. Ce n'est intrinsèquement pas un bon conducteur ionique, mais en milieu alcalin ou acide, il se révèle être un excellent polyélectrolyte avec respectivement de très bonnes propriétés de conduction anionique ou cationique. Le PBI est un polymère généralement utilisé, sous forme greffée, dans la fabrication de membranes conductrices protoniques pour les piles à combustible, dans les assemblages membrane-électrode et dans les électrolyseurs type PEM, comme une alternative au Nafion®. Dans ces applications, le PBI est généralement fonctionnalisé/greffé, par exemple par une sulfonation, afin de le rendre conducteur protonique. Le rôle du PBI dans ce type de système est alors différent de celui qu'il a dans la fabrication des électrodes selon la présente invention où il ne sert que de liant et n'a aucun rôle direct dans la réaction électrochimique.Advantageously, polybenzimidazole (PBI) is used in the present invention as a binder. While not inherently a good ionic conductor, in alkaline or acidic media it proves to be an excellent polyelectrolyte with very good anionic and cationic conductivity, respectively. PBI is a polymer commonly used, in grafted form, in the manufacture of proton-conducting membranes for fuel cells, in membrane-electrode assemblies, and in PEM-type electrolyzers, as an alternative to Nafion®. In these applications, PBI is generally functionalized/grafted, for example by sulfonation, to make it proton-conducting. The role of PBI in this type of system is therefore different from its role in the manufacture of electrodes according to the present invention, where it serves only as a binder and has no direct role in the electrochemical reaction.
Même si sa stabilité à long terme en milieu acide concentré est limitée, le chitosane, également utilisable comme polymère conducteur anionique ou cationique, est un polysaccharide présentant des propriétés de conduction ionique en milieu basique qui sont similaires à celles du PBI (G. Couture, A. Alaaeddine, F. Boschet, B. Ameduri, Progress in Polymer Science 36 (2011) 1521-1557).Although its long-term stability in concentrated acidic media is limited, chitosan, which can also be used as an anionic or cationic conducting polymer, is a polysaccharide with ionic conduction properties in basic media that are similar to those of PBI (G. Couture, A. Alaaeddine, F. Boschet, B. Ameduri, Progress in Polymer Science 36 (2011) 1521-1557).
Avantageusement, l'électrode selon l'invention est formulée par un procédé qui comprend en outre une étape d'élimination du solvant en même temps ou après l'étape de séchage. L'élimination du solvant peut être réalisée par toute technique connue de l'Homme du métier notamment par évaporation ou inversion de phase.Advantageously, the electrode according to the invention is formulated by a process which further comprises a solvent removal step, either concurrently with or following the drying step. Solvent removal can be achieved by any technique known to those skilled in the art, in particular by evaporation or phase inversion.
En cas d'évaporation, le solvant est un solvant organique ou inorganique dont la température d'évaporation est inférieure à la température de décomposition du liant polymère utilisé. On peut citer à titre d'exemples le diméthylsulfoxyde (DMSO) ou l'acide acétique. L'Homme du métier est capable de choisir le solvant organique ou inorganique adapté au polymère ou au mélange de polymère utilisé comme liant et susceptible d'être évaporé.In the case of evaporation, the solvent is an organic or inorganic solvent whose evaporation temperature is lower than the decomposition temperature of the polymer binder used. Examples include dimethyl sulfoxide (DMSO) and acetic acid. A person skilled in the art is capable of selecting the appropriate organic or inorganic solvent for the polymer or polymer blend used as a binder and capable of evaporating.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'électrode est apte à être utilisée pour l'électrolyse de l'eau en électrolyseur AEM et le liant polymère est alors un conducteur anionique en milieu électrolyte alcalin, notamment conducteur d'hydroxydes.According to a preferred embodiment of the invention, the electrode is suitable for use for the electrolysis of water in an AEM electrolyzer and the polymer binder is then an anionic conductor in an alkaline electrolyte medium, in particular a conductor of hydroxides.
Au sens de la présente invention, on entend par milieu électrolyte alcalin, un milieu dont le pH est supérieur à 7, avantageusement supérieur à 10.For the purposes of the present invention, an alkaline electrolyte medium is understood to be a medium whose pH is greater than 7, advantageously greater than 10.
Le liant est avantageusement conducteur d'hydroxydes en milieu alcalin. Il est stable chimiquement dans les bains d'électrolyse et a la capacité de diffuser et/ou de transporter les ions OH-impliqués dans la réaction électrochimique jusqu'à la surface des particules, sièges des réactions redox de production des gaz H2et O2. Ainsi, une surface qui ne serait pas en contact direct avec l'électrolyte est quand même impliquée dans la réaction d'électrolyse, point clé de l'efficacité du système. Le liant choisi et la mise en forme de l'électrode n'entravent pas la diffusion des gaz formés et limitent leur adsorption permettant ainsi leur évacuation. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, l'électrode est apte à être utilisée pour l'électrolyse de l'eau dans un électrolyseur PEM et le liant polymère est un conducteur cationique en milieu électrolyte acide, notamment conducteur de protons.The binder is advantageously conductive of hydroxides in alkaline media. It is chemically stable in electrolysis baths and has the capacity to diffuse and/or transport the OH- ions involved in the electrochemical reaction to the surface of the particles, the sites of the redox reactions that produce H2 and O2 gases. Thus, a surface that would not be in direct contact with the electrolyte is still involved in the electrolysis reaction, a key factor in the system's efficiency. The chosen binder and the electrode's shape do not impede the diffusion of the gases formed and limit their adsorption, thereby allowing their release. According to another preferred embodiment of the invention, the electrode is suitable for use in the electrolysis of water in a PEM electrolyzer, and the polymer binder is a cationic conductor in acidic electrolyte media, particularly a proton conductor.
Au sens de la présente invention, on entend par milieu acide, un milieu dont le pH est inférieur à 7, avantageusement inférieur à 2.For the purposes of the present invention, an acidic medium is understood to be a medium whose pH is less than 7, advantageously less than 2.
L'Homme du métier, à la lumière de ses connaissances générales, sera capable de définir les quantités de chaque composant de l’électrode. La densité de particules de matériau catalytique doit être suffisante pour atteindre leur seuil de percolation électrique.A person skilled in the art, drawing on their general knowledge, will be able to determine the quantities of each component of the electrode. The density of catalytic material particles must be sufficient to reach their electrical percolation threshold.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport massique liant polymère/matériau catalytique est compris entre 5/95 et 95/5, de préférence entre 10/90 et 90/10, et plus préférentiellement compris entre 10/90 et 40/60.According to a preferred embodiment of the invention, the polymer binder/catalytic material mass ratio is between 5/95 and 95/5, preferably between 10/90 and 90/10, and more preferably between 10/90 and 40/60.
Au sens de l’invention, on entend par poudre de matériau catalytique, une poudre constituée de particules de taille micronique, sub-micronique ou nanométrique. Les poudres peuvent être préparées par des techniques connues de l’Homme du métier.For the purposes of this invention, catalytic material powder means a powder consisting of particles of micron, sub-micron, or nanometer size. The powders can be prepared using techniques known to those skilled in the art.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, on ajoute à l’étape 1) un support électro-conducteur dans l’encre. Au sens de l’invention, on entend par support électro-conducteur un agent conducteur, qui permet d’assurer un contact électronique entre les particules du matériau catalytique et avec le collecteur de courant et/ou la membrane. Le plus souvent il s’agit de nanoparticules qui présentent une très grande surface développée. Le support électro-conducteur comprenant au moins un matériau choisi parmi les structures carbonées de type noir de carbone, le graphite, les nanotubes de carbone ou le graphène. Un matériau poreux et non électro-conducteur peut être rendu électro-conducteur en déposant à la surface de celui-ci un matériau électro-conducteur ; citons par exemple un oxyde réfractaire, tel qu’une alumine, au sein de laquelle on dépose du carbone graphitique.In a particular embodiment of the invention, an electroconductive support is added to the ink in step 1). For the purposes of this invention, an electroconductive support is understood to be a conductive agent that ensures electronic contact between the particles of the catalytic material and the current collector and/or the membrane. Most often, this consists of nanoparticles with a very large surface area. The electroconductive support comprises at least one material selected from carbon-based structures such as carbon black, graphite, carbon nanotubes, or graphene. A porous, non-electroconductive material can be made electroconductive by depositing an electroconductive material on its surface; for example, a refractory oxide, such as alumina, within which graphitic carbon is deposited.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le support du matériau catalytique comprend au moins un matériau choisi parmi l’or, le cuivre, l’argent, le titane, le silicium.In a particular embodiment of the invention, the support for the catalytic material comprises at least one material selected from gold, copper, silver, titanium, silicon.
Le support du matériau catalytique présente avantageusement une surface spécifique BET (SS) supérieure à 75 m2/g, de préférence supérieure à 100 m2/g, de manière très préférée supérieure à 130 m2/g. Le support électro-conducteur peut être ajouté au cours de la préparation du matériau catalytique et/ou au cours de la préparation de l’électrode.The catalytic material support advantageously has a specific surface area BET(SS) greater than 75 m² /g, preferably greater than 100 m² /g, and most preferably greater than 130 m² /g. The electroconductive support can be added during the preparation of the catalytic material and/or during the preparation of the electrode.
Etape 2) dépôt de l’encre sur une membrane, ou un collecteur conducteur électronique.Step 2) Deposition of ink onto a membrane, or an electronically conductive collector.
Dans un mode de réalisation, l’encre obtenue à l’étape 1) est déposée sur une membrane échangeuses de protons ou échangeuse d’anions.In one embodiment, the ink obtained in step 1) is deposited on a proton exchange or anion exchange membrane.
Au sens de l’invention, on entend par une membrane échangeuse de protons est une membrane semi-perméable, extrêmement fine (20-300 micromètres), fabriquée à partir d’ionomères permettant la conduction protonique tout en étant imperméable aux gaz tels que le dioxygène ou le dihydrogène : les protons passent à travers alors que les gaz sont stoppés. Cette particularité est exploitée dans les AME (Assemblage de Membrane-Électrode) des électrolyseurs PEM. Les PEM sont fabriquées à partir de membranes en polymère pur ou de membranes composites où les matériaux forment une matrice de polymère. Elles sont presque exclusivement composées de membranes perfluoro-sulfonées acides (PFSA), dont la plus connue est le Nafion© de la société Dupont de Nemours. Le Nafion® est un ionomère composé d’un squelette hydrophobe de typepoly(tetrafluoroethylene) (PTFE) sur lequel sont greffées des chaînes pendantes perfluorées (perfluorovinylether) terminées par des groupes sulfoniques.For the purposes of this invention, a proton exchange membrane is defined as a semi-permeable, extremely thin membrane (20-300 micrometers) made from ionomers that allows proton conduction while being impermeable to gases such as oxygen or hydrogen: protons pass through while gases are blocked. This characteristic is exploited in the Membrane-Electrode Assemblies (MEAs) of PEM electrolyzers. PEMs are made from pure polymer membranes or composite membranes where the materials form a polymer matrix. They are almost exclusively composed of acid perfluorosulfonated membranes (PFSAs), the best-known of which is Nafion® from DuPont de Nemours. Nafion® is an ionomer composed of a hydrophobic poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) backbone onto which are grafted perfluoroethylene (perfluorovinyl ether) pendant chains terminated by sulfonic groups.
On entend par une membrane échangeuse d’anions une membrane semi-perméable, extrêmement fine (entre 20 et 300 micromètres), fabriquée à partir d’ionomères permettant la conduction des anions hydroxyles (ou hydroxydes) tout en étant imperméable aux gaz tels que le dioxygène ou le dihydrogène : les OH-passent à travers la membrane alors que les gaz sont stoppés. Cette particularité est exploitée dans les AME (Assemblage de Membrane-Électrode) des électrolyseurs AEM.An anion exchange membrane is defined as a semi-permeable, extremely thin membrane (between 20 and 300 micrometers) made from ionomers that allows the conduction of hydroxyl (or hydroxide) anions while remaining impermeable to gases such as oxygen or hydrogen: OH- ions pass through the membrane while gases are blocked. This characteristic is exploited in the Membrane-Electrode Assemblies (MEAs) of electrolyzers.
Dans un autre mode de réalisation, l’encre obtenue à l’étape 1) est déposée sur un collecteur de courant. Au sens de l’invention, on entend par support ou collecteur de type métallique tout matériau conducteur ayant les mêmes propriétés de conduction que les métaux, par exemple le graphite ou certains polymères conducteurs tels que la polyaniline et le polythiophène. Ce support peut avoir n’importe quelle forme permettant le dépôt du mélange obtenu (entre le liant et le matériau catalytique) par une méthode choisie dans le groupe comprenant notamment le trempage, l’impression, l’induction, le pressage, l’enduction, le dépôt à la tournette (ou «spin-coating» selon la terminologie anglo-saxonne), la filtration, le dépôt sous vide, le dépôt par pulvérisation, le coulage, l’extrusion ou le laminage. Ledit support ou ledit collecteur peut être plein ou ajouré. A titre d'exemple de support, on peut citer une grille (support ajouré), une plaque ou une feuille d'acier inoxydable (304L ou 316L par exemple) (supports pleins).In another embodiment, the ink obtained in step 1) is deposited onto a current collector. For the purposes of this invention, a metallic-type support or collector is understood to mean any conductive material having the same conductive properties as metals, for example, graphite or certain conductive polymers such as polyaniline and polythiophene. This support can have any shape that allows the resulting mixture (between the binder and the catalytic material) to be deposited by a method selected from the group including, in particular, dipping, printing, induction, pressing, coating, spin-coating , filtration, vacuum deposition, spray deposition, casting, extrusion, or lamination. The support or collector can be solid or perforated. Examples of supports include a grid (openwork support), a plate or sheet of stainless steel (304L or 316L for example) (solid supports).
L'avantage de l’encre selon l'invention est qu'elle peut être déposée sur un collecteur plein ou ajouré, par des techniques usuelles de dépôt facilement accessibles et permettant un dépôt sous formes de couches d'épaisseurs variables idéalement de l'ordre de 10 à 100 µm.The advantage of the ink according to the invention is that it can be deposited on a solid or perforated collector, by usual deposition techniques easily accessible and allowing deposition in the form of layers of variable thicknesses ideally on the order of 10 to 100 µm.
Conformément à l'invention, le mélange peut être préparé par toute technique connue de l'homme du métier, notamment par mélange du liant et du au moins un matériau catalytique sous forme de poudre dans un solvant approprié ou un mélange de solvants appropriés pour l'obtention d'un mélange aux propriétés rhéologiques permettant le dépôt des matériaux d'électrode sous forme d'un film d'épaisseur contrôlée sur un substrat conducteur électronique. L'utilisation du matériau catalytique sous forme de poudre permet une maximisation de la surface développée par les électrodes et une exaltation des performances associées. L'homme du métier saura faire les choix des différents paramètres de formulation à la lumière de ses connaissances générales et des caractéristiques physico-chimiques des dits mélanges.According to the invention, the mixture can be prepared by any technique known to those skilled in the art, in particular by mixing the binder and at least one catalytic material in powder form with a suitable solvent or a mixture of suitable solvents to obtain a mixture with rheological properties that allow the electrode materials to be deposited as a film of controlled thickness onto an electronically conductive substrate. The use of the catalytic material in powder form maximizes the surface area of the electrodes and enhances their associated performance. Those skilled in the art will be able to select the various formulation parameters based on their general knowledge and the physicochemical characteristics of the mixtures.
Un autre objet selon l’invention concerne un dispositif d’électrolyse comprenant une anode, une cathode, un électrolyte, dans lequel au moins l’une de l’anode ou de la cathode est une électrode selon l’invention.Another object according to the invention relates to an electrolysis device comprising an anode, a cathode, an electrolyte, in which at least one of the anode or the cathode is an electrode according to the invention.
Le dispositif d’électrolyse peut être utilisé en tant que dispositif d’électrolyse de l’eau pour la production d’un mélange gazeux d’hydrogène et d’oxygène et/ou la production d’hydrogène seul comprenant une anode, une cathode et un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de la cathode ou de l’anode est une électrode selon l’invention, de préférence la cathode. Le dispositif d’électrolyse est constitué de deux électrodes (une anode et une cathode, conducteurs électroniques) reliées à un générateur de courant continu, et séparées par un électrolyte (milieu conducteur ionique). L’anode est le siège de l’oxydation de l’eau. La cathode est le siège de la formation d’hydrogène.The electrolysis device can be used as a water electrolysis device for the production of a gaseous mixture of hydrogen and oxygen and/or the production of hydrogen alone, comprising an anode, a cathode, and an electrolyte. The device is characterized in that at least one of the cathode or anode is an electrode according to the invention, preferably the cathode. The electrolysis device consists of two electrodes (an anode and a cathode, electronic conductors) connected to a direct current generator and separated by an electrolyte (an ionically conductive medium). The anode is the site of water oxidation. The cathode is the site of hydrogen formation.
L’électrolyte est une membrane polymère échangeuse de protons H+ou d’anions OH-qui assure le transfert des protons H+ou des anions OH-de l’anode à la cathode ou de la cathode à l’anode respectivement et permet la séparation des compartiments anodique et cathodique, ce qui évite de réoxyder à l’anode les espèces réduites à la cathode et réciproquement ;The electrolyte is a polymer membrane that exchanges protons H + or anions OH- which ensures the transfer of protons H + or anions OH- from the anode to the cathode or from the cathode to the anode respectively and allows the separation of the anodic and cathodic compartments, which avoids reoxidizing at the anode the species reduced at the cathode and vice versa;
L’alimentation minimale en eau d’un dispositif d’électrolyse est de 0,8 l/Nm3d’hydrogène. En pratique, la valeur réelle est proche de 1 l/Nm3. L’eau introduite doit être la plus pure possible car les impuretés demeurent dans l’équipement et s’accumulent au fil de l’électrolyse, perturbant in fine les réactions électrolytiques par :The minimum water supply for an electrolysis unit is 0.8 L/ Nm³ of hydrogen. In practice, the actual value is closer to 1 L/ Nm³ . The water used must be as pure as possible because impurities remain in the equipment and accumulate during electrolysis, ultimately disrupting the electrolytic reactions by:
- la formation de boues ; et par- the formation of sludge; and by
- l’action des chlorures sur les électrodes.- the action of chlorides on the electrodes.
Une spécification importante sur l’eau porte sur sa conductivité ionique (qui doit être inférieure à quelques μS/cm).An important specification for water relates to its ionic conductivity (which must be less than a few μS/cm).
Il existe de nombreux fournisseurs proposant des technologies très diversifiées, notamment en termes de nature de l’électrolyte et de technologie associée, allant d’un possible couplage amont avec une alimentation électrique renouvelable (photovoltaïque ou éolien), à la fourniture finale directe d’hydrogène sous pression.There are many suppliers offering highly diversified technologies, particularly in terms of the nature of the electrolyte and associated technology, ranging from possible upstream coupling with a renewable power supply (photovoltaic or wind), to the direct final supply of pressurized hydrogen.
Le dispositif d’électrolyse peut être utilisé en tant que dispositif d’électrolyse de l’azote pour la production d’ammoniac, comprenant une anode, une cathode et un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de la cathode ou de l’anode est une électrode selon l’invention, de préférence la cathode.The electrolysis device can be used as a nitrogen electrolysis device for the production of ammonia, comprising an anode, a cathode and an electrolyte, said device being characterized in that at least one of the cathode or anode is an electrode according to the invention, preferably the cathode.
Le dispositif d’électrolyse est constitué de deux électrodes (une anode et une cathode, conducteurs électroniques) reliées à un générateur de courant continu, et séparées par un électrolyte (milieu conducteur ionique). L’anode est le siège de l’oxydation de l’eau. La cathode est le siège de la réduction de l’azote et la formation d’ammoniac. L’azote est injecté en continu dans le compartiment cathodique.The electrolysis unit consists of two electrodes (an anode and a cathode, both electronic conductors) connected to a direct current generator and separated by an electrolyte (an ionically conductive medium). The anode is where water is oxidized. The cathode is where nitrogen is reduced and ammonia is formed. Nitrogen is continuously injected into the cathode compartment.
La réaction de réduction de l’azote est :The nitrogen reduction reaction is:
[Chem 4][Chem 4]
N2+6H++ 6 e-→ 2NH3 N₂ + 6H⁺ + 6e⁻ → 2NH₃
L’électrolyte peut être :The electrolyte can be:
- soit une solution aqueuse (Na2SO4ou HCl), de préférence saturée en azote ;- either an aqueous solution ( Na2SO4 or HCl), preferably saturated with nitrogen;
- soit une membrane polymère échangeuse de protons qui assure le transfert des protons de l’anode à la cathode et permet la séparation des compartiments anodique et cathodique, ce qui évite de réoxyder à l’anode les espèces réduites à la cathode et réciproquement.- either a proton exchange polymer membrane which ensures the transfer of protons from the anode to the cathode and allows the separation of the anodic and cathodic compartments, which avoids re-oxidizing at the anode the species reduced at the cathode and vice versa.
Le dispositif d’électrolyse peut être utilisé en tant que dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone pour la production d’acide formique, comprenant une anode, une cathode et un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de la cathode ou de l’anode est une électrode selon l’invention. Un exemple d’anode et d’électrolyte pouvant être utilisé, dans un tel dispositif est décrit en détail dans le document FR3007427.The electrolysis device can be used as a carbon dioxide electrolysis device for the production of formic acid, comprising an anode, a cathode, and an electrolyte, said device being characterized in that at least one of the cathode or the anode is an electrode according to the invention. An example of an anode and electrolyte that can be used in such a device is described in detail in document FR3007427.
Le dispositif d’électrolyse peut être utilisé en tant que dispositif de pile à combustible pour la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène comprenant une anode, une cathode et un électrolyte (liquide ou solide), ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de la cathode ou de l’anode est une électrode selon l’invention.The electrolysis device can be used as a fuel cell device for the production of electricity from hydrogen and oxygen comprising an anode, a cathode and an electrolyte (liquid or solid), said device being characterized in that at least one of the cathode or anode is an electrode according to the invention.
Le dispositif de pile à combustible est constitué de deux électrodes (une anode et une cathode, conducteurs électroniques) reliées à une charge C pour délivrer le courant électrique produit, et séparées par un électrolyte (milieu conducteur ionique). L’anode est le siège de l’oxydation de l’hydrogène. La cathode est le siège de la réduction de l’oxygène.The fuel cell device consists of two electrodes (an anode and a cathode, both electronic conductors) connected to a load C to deliver the generated electric current, and separated by an electrolyte (an ionically conductive medium). The anode is where hydrogen oxidation takes place. The cathode is where oxygen reduction takes place.
L’électrolyte peut être :The electrolyte can be:
- soit une solution aqueuse acide (H2SO4ou HCl) ou basique (KOH) ;- either an acidic aqueous solution ( H2SO4 or HCl) or a basic one (KOH);
- soit une membrane polymère échangeuse de protons ou d’anions OH- qui assure le transfert des protons ou des anions OH-de l’anode à la cathode ou de la cathode à l’anode respectivement et permet la séparation des compartiments anodique et cathodique, ce qui évite de réoxyder à l’anode les espèces réduites à la cathode et réciproquement.- either a polymer membrane exchanging protons or OH- anions which ensures the transfer of protons or OH- anions from the anode to the cathode or from the cathode to the anode respectively and allows the separation of the anodic and cathodic compartments, which avoids re-oxidizing at the anode the species reduced at the cathode and vice versa.
Les exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée. Les exemples ci-dessous portent sur l’électrolyse de l’eau en milieu électrolytique liquide pour la production d’hydrogène.The following examples illustrate the present invention without, however, limiting its scope. The examples below relate to the electrolysis of water in a liquid electrolytic medium for the production of hydrogen.
Exemple 1 : Approvisionnement d’un matériau solide S1 à base de molybdène sulfuré sous forme massive : MoS2massif commercialExample 1: Supply of a solid material S1 based on molybdenum sulfide in bulk form: Commercial bulk MoS2
Un premier matériau solide S1 à base de Molybdène sulfuré commercial (fournisseur Sigma Aldrich ; numéro CAS :1317-33-5), pour lesquelles les particules ont en moyenne une taille de 90 nm est approvisionné sous forme massive. La teneur de Mo sur le matériau solide sulfuré est de 100% poids par rapport au poids total dudit matériau solide.A first solid material S1 based on commercial molybdenum sulfide (supplier Sigma Aldrich; CAS number: 1317-33-5), in which the particles have an average size of 90 nm, is supplied in bulk form. The Mo content of the solid sulfide material is 100% by weight relative to the total weight of said solid material.
Exemple 2 : Approvisionnement d’un matériau solide S2 à base de molybdène sous forme sulfurée et supportée : préparation du matériau MoS2supporté sur du noir de carboneExample 2: Supply of a solid S2 material based on molybdenum in sulfide and supported form: preparation of the MoS2 material supported on carbon black
Un second matériau solide S2 à base de molybdène sulfuré supporté sur du noir de carbone de type Ketjenblack ec-660jd commercial (fournisseur Nouryon ; numéro CAS : 1333-86-4) de surface spécifique égale à 1380 m2/g est préparé. Pour se faire, 10,39 g de H3PMo12O40,28H2O sont solubilisés dans 18,5 ml d’eau. La solution obtenue est utilisée pour imprégner 3 g de noir de carbone. Le matériau humide obtenu est ensuite séché dans une étuve à 120°C pendant 2 h. le matériau sec est ensuite sulfuré sous H2S pur à 300°C pendant 2 h. La teneur de Mo sur le matériau solide sulfuré est de 44% poids par rapport au poids total dudit matériau solide. La densité surfacique de molybdène est de 8 atomes de Molybdène par nm2de support.A second solid material S2, based on molybdenum sulfide supported on commercial Ketjenblack ec-660jd carbon black (supplier Nouryon; CAS number: 1333-86-4) with a specific surface area of 1380 m² /g , is prepared. To do this, 10.39 g of H₃PMo₂O₄O · 28H₂O are dissolved in 18.5 mL of water. The resulting solution is used to impregnate 3 g of carbon black. The resulting wet material is then dried in an oven at 120°C for 2 h. The dry material is then sulfided under pure H₂S at 300°C for 2 h. The Mo content of the sulfided solid material is 44 wt% relative to the total weight of the solid material. The surface density of molybdenum is 8 molybdenum atoms per nm² of support.
Exemple 3 : Préparation d’un matériau catalytique C1 : fluoration de S1 (conforme à l’invention)Example 3: Preparation of a catalytic material C1: fluorination of S1 (according to the invention)
Le matériau solide S1 est mis en contact avec un gaz comprenant au moins du difluor à une température de 20°C, une durée de 20 minutes, une concentration en difluor dans le gaz de 20% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression de 0,1 MPa, une P.P.H de 0,2 h-1, pour obtenir un matériau catalytique C1. Le gaz de dilution est du diazote.The solid material S1 is brought into contact with a gas comprising at least difluorine at a temperature of 20°C, for a duration of 20 minutes, a difluorine concentration in the gas of 20% volume relative to the total volume of said gas, a pressure of 0.1 MPa, a PPH of 0.2 h -1 , to obtain a catalytic material C1. The dilution gas is dinitrogen.
Exemple 4 : Préparation d’un matériau catalytique C2 : fluoration de S2 (conforme à l’invention)Example 4: Preparation of a catalytic material C2: fluorination of S2 (according to the invention)
Le matériau solide S2 est mis en contact avec un gaz comprenant au moins du difluor à une température de 20°C, une durée de 20 minutes, une concentration en difluor dans le gaz de 20% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression de 0,1 MPa, une P.P.H de 0,2 h-1, pour obtenir un matériau catalytique C2 . Le gaz de dilution est du diazote.The solid material S2 is brought into contact with a gas containing at least difluorine at a temperature of 20°C, for a duration of 20 minutes, with a difluorine concentration in the gas of 20% by volume relative to the total volume of said gas, a pressure of 0.1 MPa, and a PPH of 0.2 h⁻¹ , to obtain a catalytic material C2. The dilution gas is dinitrogen.
Exemple 5 : Préparation d’une électrode de travail E1 à base d’un matériau catalytique C1 (conforme)Example 5: Preparation of a working electrode E1 based on a catalytic material C1 (compliant)
Afin de déposer le matériau catalytique C1 sur une électrode, une encre est formulée. Pour cela, 50 mg de matériau catalytique C1 auxquels ont été ajoutés 5 mg de noir d’acétylène pour assurer la conduction électronique et 5 mg de polyfluorure de vinyldène (PVDF) pour assurer la tenue mécanique du dépôt d’encre à la surface de l’électrode de travail sont dispersés dans 10 mL de mélange eau/éthanol (4:1) puis placés 30 minutes aux ultra-sons pour constituer l’encre. Un dépôt de 10 µl d’encre est effectué sur l’embout de carbone vitreux de l’électrode tournante de travail. Après dépôt de l’encre sur l’électrode de travail, l’électrode est séchée afin d’évaporer le solvant à température de 20°C et à l’air libre pour obtenir l’électrode de travail E1.To deposit the catalytic material C1 onto an electrode, an ink is formulated. For this purpose, 50 mg of catalytic material C1, to which 5 mg of acetylene black have been added to ensure electronic conductivity and 5 mg of polyvinylene fluoride (PVDF) to ensure mechanical adhesion of the ink deposit to the working electrode surface, are dispersed in 10 mL of a 4:1 water/ethanol mixture and then heated ultrasonically for 30 minutes to form the ink. A 10 µL deposit of the ink is made on the glassy carbon tip of the rotating working electrode. After the ink has been deposited on the working electrode, the electrode is dried to evaporate the solvent at 20°C in open air to obtain the working electrode E1.
L’électrode de travail consiste en un disque de 5 mm de diamètre de carbone vitreux sertie dans un embout en Téflon (électrode à disque tournant).The working electrode consists of a 5 mm diameter disc of vitreous carbon set in a Teflon tip (rotating disc electrode).
Exemple 6 : Préparation d’une électrode de travail E2 à base d’un matériau catalytique C2 (conforme)Example 6: Preparation of a working electrode E2 based on a catalytic material C2 (compliant)
Afin de déposer le matériau catalytique C2 sur une électrode, une encre est formulée. Pour cela, 19 mg de matériau catalytique C2 ont été ajoutés à 80µL de Nafion® (solution H2O/Propanol 20:80 à 5 % massique en Nafion®) qui permet d’assurer la tenue mécanique du dépôt à la surface de l’électrode. Le tout étant dispersé dans 523 μL d’isopropanol et 2,8 mL eau ultra pure. 2 mg de carbone Ketjenblack commercial (fournisseur Nouryon ; numéro CAS : 1333-86-4) sont ajoutés au mélange pour assurer la conduction électronique. Le mélange est ensuite placé 30 minutes aux ultra-sons. Un dépôt de 10 µl d’encre a été effectué sur l’embout de carbone vitreux de l’électrode tournante de travail. Après dépôt de l’encre sur l’électrode de travail, l’électrode est séchée afin d’évaporer le solvant à température de 20°C et à l’air libre pour obtenir l’électrode de travail E2.To deposit the C2 catalytic material onto an electrode, an ink is formulated. For this purpose, 19 mg of C2 catalytic material were added to 80 µL of Nafion® (a 20:80 H₂O /Propanol solution with 5 wt% Nafion®), which ensures the mechanical adhesion of the deposit to the electrode surface. The mixture was dispersed in 523 µL of isopropanol and 2.8 mL of ultrapure water. Two mg of commercial Ketjenblack carbon (supplier Nouryon; CAS number: 1333-86-4) were added to the mixture to ensure electronic conductivity. The mixture was then ultrasonically heated for 30 minutes. A 10 µL deposit of ink was applied to the vitreous carbon tip of the rotating working electrode. After the ink has been deposited on the working electrode, the electrode is dried to evaporate the solvent at a temperature of 20°C and in open air to obtain the working electrode E2.
L’électrode de travail consiste en un disque de 5 mm de diamètre de carbone vitreux sertie dans un embout en Téflon (électrode à disque tournant).The working electrode consists of a 5 mm diameter disc of vitreous carbon set in a Teflon tip (rotating disc electrode).
Exemple 7 : Tests électrochimiques des électrodes de travailExample 7: Electrochemical tests of working electrodes
La caractérisation de l’activité catalytique des matériaux catalytiques est opérée dans une cellule à 3 électrodes. Cette cellule est composée d’une électrode de travail, d'une contre électrode en platine et d'une électrode de référence Ag/AgCl. L’électrolyte est une solution aqueuse d’acide sulfurique (H2SO4) à 0,5 mol/L. Ce milieu est désoxygéné par barbotage à l’azote et les mesures sont faites sous atmosphère inerte (désaération à l’azote).The catalytic activity of catalytic materials is characterized in a 3-electrode cell. This cell consists of a working electrode, a platinum counter electrode, and an Ag/ AgCl reference electrode. The electrolyte is a 0.5 mol/L aqueous solution of sulfuric acid ( H₂SO₄ ). This medium is deoxygenated by bubbling with nitrogen, and measurements are performed under an inert atmosphere (nitrogen deaeration).
Le carbone vitreux a l’avantage de n’avoir aucune activité catalytique et d’être un très bon conducteur électrique.Vitreous carbon has the advantage of having no catalytic activity and being a very good electrical conductor.
Les performances des électrodes de travail E1, E2 préparées dans les exemples 5 et 6 sont testées.The performance of the working electrodes E1, E2 prepared in examples 5 and 6 is tested.
Différentes méthodes électrochimiques sont utilisées afin de déterminer les performances des catalyseurs :Various electrochemical methods are used to determine the performance of catalysts:
- la voltammétrie linéaire : elle consiste à appliquer à l’électrode de travail un signal en potentiel qui varie avec le temps, soit de 0 à - 0,5 V vs ENH (Electrode Normale à hydrogène) à une vitesse de 2 mV/s, et à mesurer le courant faradique de réponse, c’est-à-dire le courant dû à la réaction d’oxydo-réduction ayant lieu au niveau de l’électrode de travail. Cette méthode est idéale pour déterminer le pouvoir catalytique d’un matériau pour une réaction donnée. Elle permet, entre autres, de déterminer la surtension nécessaire pour la réduction des protons en H2.- Linear voltammetry: This involves applying a time-varying potential signal to the working electrode, from 0 to -0.5 V vs. ENH (Normal Hydrogen Electrode) at a rate of 2 mV/s, and measuring the faradaic response current, i.e., the current due to the redox reaction occurring at the working electrode. This method is ideal for determining the catalytic power of a material for a given reaction. Among other things, it allows for the determination of the overpotential required for the reduction of protons to H₂ .
Elle permet aussi de déterminer la valeur de la pente de Tafel qui renseigne sur l’aspect cinétique de la réaction électrochimique. L’équation de Tafel est une équation de cinétique électrochimique qui relie la surtension à la vitesse de la réaction électrochimique, elle-même représentée par la densité de courant :It also allows us to determine the value of the Tafel slope, which provides information on the kinetic aspect of the electrochemical reaction. The Tafel equation is an electrochemical kinetic equation that relates the overpotential to the rate of the electrochemical reaction, itself represented by the current density:
Le signe est positif pour une réaction anodique et négatif pour une réaction cathodique.The sign is positive for an anodic reaction and negative for a cathodic reaction.
Avec :With :
A : la pente de Tafel en Volt par décade (V/dec)A: the slope of Tafel in volts per decade (V/dec)
i : la densité de courant en Ampère (A)i: current density in Amperes (A)
i0: la densité de courant d’échange en Ampère par cm2d’électrode. Le terme i0traduit la vitesse de transfert des électrons entre l’électrode et l’électrolyte. Par exemple, dans le cas de l’HER à 1 mol/kg d’H2SO4, i0est égale à - log103,1. Pour le tungstène, i0est - log105,9 pour le Tungstène. Pour le palladium constituant la vitesse la plus élevée, i0est égal à - log103,03.i0: the exchange current density in Amperes per cm2of electrode. The term i0translated the rate of electron transfer between the electrode and the electrolyte. For example, in the case of HER at 1 mol/kg H₂2SO4, i0is equal to - log103.1. For tungsten, i0is - log105.9 for tungsten. For palladium, which has the highest velocity, i0is equal to - log103.03.
On notera que plus la valeur absolue de la pente de Tafel est faible, plus la cinétique de réaction est rapide. On rappelle que dans le cas du Platine, la surtension à - 10 mA.cm-2est comprise entre - 15 et - 40 mV selon le type d’électrocatalyseur utilisé (selon le ratio Pt/C) et la pente de Tafel est d’environ de 23 mV/dec vs 95 mV/dec pour un MoS2massif.Note that the lower the absolute value of the Tafel slope, the faster the reaction kinetics. Recall that in the case of platinum, the overpotential is -10 mA.cm-2is between -15 and -40 mV depending on the type of electrocatalyst used (depending on the Pt/C ratio) and the Tafel slope is approximately 23 mV/dec vs 95 mV/dec for a MoS2massive.
- la chronopotentiométrie : elle consiste, quant à elle, à appliquer un courant ou une densité de courant durant un temps déterminé et à mesurer le potentiel résultant. Cette étude permet de déterminer l’activité catalytique à courant constant mais également la stabilité du système dans le temps. Elle est réalisée avec une densité de courant de - 10 mA/cm2et durant un temps donné.- Chronopotentiometry: This involves applying a current or current density for a specific time and measuring the resulting potential. This study allows us to determine the catalytic activity at constant current as well as the stability of the system over time. It is performed with a current density of -10 mA/ cm² and for a given duration.
Les performances électrochimiques des électrodes de travail E1, E2 sont rassemblées dans le tableau 1, ci-après. Elles sont exprimées en surtension à une densité de courant de -10 mA/cm2et en pente de Tafel (mV/dec).The electrochemical performances of the working electrodes E1, E2 are summarized in Table 1 below. They are expressed as overpotential at a current density of -10 mA/ cm² and as a Tafel slope (mV/dec).
On compare également ces résultats à des résultats de performances de matériaux catalytiques divulgués dans l’art antérieur :These results are also compared to performance results of catalytic materials disclosed in the prior art:
- MoS2massif (non fluoré) divulgué par L. X. Chen, et al. «Design of Dual-Modified MoS2with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction» 2018.- Massive MoS2 (non-fluorinated) disclosed by LX Chen, et al. “Design of Dual-Modified MoS2 with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction” 2018.
- MoS2fluoré par voie hydrothermale qui consiste à dissoudre du MoS2dans une solution d’espèce fluorée aqueuse NH4F(aq) puis à réaliser un traitement thermique à la bombe hydrothermale divulgué par Y. Wang, et al. «Fluorine- and Nitrogen-Codoped MoS 2 with a Catalytically Active Basal Plane», 2017.- Hydrothermally fluorinated MoS2 which consists of dissolving MoS2 in a solution of aqueous fluorinated species NH4F (aq) and then carrying out a heat treatment with a hydrothermal bomb disclosed by Y. Wang, et al . “Fluorine- and Nitrogen-Codoped MoS2 with a Catalytically Active Basal Plane” , 2017.
-MoS2fluoré par exposition sous plasma en présence de CHF3divulgué par R. Zhang, et al. «Creating Fluorine-Doped MoS 2 Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity», 2021.-Fluorine-Doped MoS2 by exposure under plasma in the presence of CHF3 disclosed by R. Zhang, et al. “ Creating Fluorine-Doped MoS2 Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity ”, 2021.
(L. X. Chen, et al.,2018)massive MoS2 (non-fluorinated)
(LX Chen, et al., 2018)
(Y. Wang, et al, 2017) MoS2 treated with NH4F (aq)
(Y. Wang, et al, 2017)
(R. Zhang, et al. 2021) MoS2 treated with CHF 3 plasma
(R. Zhang, et al. 2021)
Avec une surtension de seulement 90 mV vs ENH, et 85 mV vs ENH, les électrodes E1 et E2 préparées à partir de MoS2massif ou à partir de MoS2supporté et fluoré sous F2(g) dans des conditions maitrisées selon l’invention présentent de meilleures performances par rapport aux matériaux non fluorés ou fluorés par d’autres méthodes de l’art antérieur.With an overvoltage of only 90 mV vs ENH, and 85 mV vs ENH, the electrodes E1 and E2 prepared from bulk MoS2 or from supported and fluorinated MoS2 under F2 (g) under controlled conditions according to the invention exhibit better performance compared to non-fluorinated materials or materials fluorinated by other prior art methods.
Ce résultat démontre l’intérêt incontestable de la fluoration par le F2(gaz) dans des conditions maitrisées pour le développement de la filière hydrogène par électrolyse de l’eau.This result demonstrates the undeniable interest of fluorination by F2 (gas) under controlled conditions for the development of the hydrogen sector by water electrolysis.
Claims (15)
a) on approvisionne un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré ;
b) on réalise une étape de fluoration du matériau solide approvisionné à l’étape a) en présence d’un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 et 0,2 MPa, une P.P.H comprise entre 0,01 et 200 h-1, pour obtenir ledit matériau catalytique.A process for preparing a catalytic material for an electrode for electrochemical reduction reactions, said catalytic material comprising an active phase based on at least one metal from group VIB and fluorine, said process comprising at least the following steps:
a) a solid material is supplied based on at least one metal from group VIB sulfide;
b) a fluorination step is carried out on the solid material supplied in step a) in the presence of a gas comprising at least difluorine, at a temperature between -50°C and 150°C, for a duration between 15 seconds and 120 minutes, with a concentration of difluorine in the gas between 0.1 and 100% by volume relative to the total volume of said gas, a pressure between 0.001 and 0.2 MPa, and a PPH between 0.01 and 200 h -1 , to obtain said catalytic material.
1) on prépare une encre en réalisant les sous étapes suivantes :
1a) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère de type conducteur ionique ;
1b) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1a) au moins un matériau catalytique préparé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, sous forme de poudre ;
les étapes 1a), 1b) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;
2) on dépose l’encre obtenue à l’étape 1) sur une membrane, ou un collecteur conducteur électronique.A process for preparing an electrode comprising the following steps:
1) We prepare an ink by carrying out the following sub-steps:
1a) at least one ionically conductive polymer binder is dissolved in a solvent or a mixture of solvents;
1b) at least one catalytic material prepared according to any one of claims 1 to 10, in powder form, is added to the solution obtained in step 1a);
steps 1a), 1b) being carried out in any order, or simultaneously;
2) the ink obtained in step 1) is deposited onto a membrane, or an electronically conductive collector.
- dispositif d’électrolyse de l’eau pour la production d’un mélange gazeux d’hydrogène et d’oxygène et/ou la production d’hydrogène seul ;
- dispositif d’électrolyse de l’azote pour la production d’ammoniac ;
- dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone pour la production d’acide formique, de CO et d’éthylène ;
- dispositif de pile à combustible pour la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène.Use according to claim 14, wherein said device is used as:
- water electrolysis device for the production of a gaseous mixture of hydrogen and oxygen and/or the production of hydrogen alone;
- nitrogen electrolysis device for the production of ammonia;
- carbon dioxide electrolysis device for the production of formic acid, CO and ethylene;
- fuel cell device for the production of electricity from hydrogen and oxygen.
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