The production of novel nickel and titanium 3D skeleton electrodes and the synthesis of catalysts on the Ni 3D skeleton electrodes (Ni-whiskers) for water electrolysis.

Fakourihassanabadi, Mohsen (2023). The production of novel nickel and titanium 3D skeleton electrodes and the synthesis of catalysts on the Ni 3D skeleton electrodes (Ni-whiskers) for water electrolysis. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 243 p.

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Résumé

Il est essentiel de développer des électrocatalyseurs présentant une excellente activité, de faibles surtensions et une rentabilité économique pour les applications de conversion et de stockage d'énergie. Dans cette étude, des méthodes innovantes ont été utilisées pour fabriquer deux structures tridimensionnelles (3D) distinctes destinées à l'électrolyse alcaline de l'eau (AWE) et à l'électrolyse de l'eau avec membrane d'échange de protons (PEMWE), dans le but de surmonter la surtension de la réaction d'évolution de l'oxygène (OER), notamment à haute densité de courant.
Une nouvelle structure tridimensionnelle (whisker de Ni) a été développée en formant un alliage fondu hypereutectique de Ni-Al, suivi d'une solidification directionnelle sur une plaque de Ni. En conséquence d'une lixiviation ultérieure, des whiskers de Ni se forment. En ajustant la masse d'aluminium et le processus de traitement thermique, les whiskers de Ni peuvent être contrôlés en termes de volume, de taille et de distribution. Nous avons optimisé les paramètres pour minimiser la surtension à faible et haute densités de courant. Les résultats ont révélé que l'échantillon optimal nécessite une surtension de seulement 240 mV à 10 mA.cm-2 et de 350 mV à 500 mA.cm-2.
Dans cette étude, nous avons synthétisé deux catalyseurs, l'oxyde d'iridium et le LDH Fe-Ni, avec une activité très élevée sur les whiskers de Ni, puis nous avons comparé les résultats obtenus. En résumé, les résultats ont montré que les deux catalyseurs présentaient d'excellentes performances à faible densité de courant. Cependant, à haute densité de courant, les whiskers de Ni-Fe ont surpassé les whiskers de Ni-Ir. Ceci est attribué au détachement du Ni et à l'obstruction ultérieure de la structure lors du dépôt de l'Ir dans des milieux acides, ce qui entrave le transfert de masse.
Une autre approche consiste à produire une couche de transport poreuse (PTL) pour PEMWE via la méthode de dépôt par choc induit par ondes de choc (SWIS), éliminant ainsi le traitement thermique pour la stabilité structurale et mécanique. Deux types de porogènes (Cuivre et Aluminium) ont également été utilisés pour étudier l'effet de la densité du porogène sur l'efficacité du dépôt et la porosité des revêtements obtenus. Le porogène à base d'Aluminium a permis la production de revêtements de PTL à base de titane avec une porosité d'environ 60%, ce qui est une caractéristique très recherchée pour produire des PTL avec une perméabilité gazeuse plus élevée.

In the realm of energy conversion and storage, developing electrocatalysts that are highly active, cost-effective, and have a low overpotential for oxygen evolution reactions (OER) is imperative. Here, innovative methods were employed to fabricate two distinct three-dimensional (3D) structures for alkaline water electrolysis (AWE) and proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) in order to overcome OER overpotential, especially at high current density.
A novel 3D Ni structure (Ni whisker) is developed by the formation of a hypereutectic molten alloy of Ni-Al, followed by directional solidification on a Ni plate. As a result of subsequent leaching, Ni whiskers are formed. By adjusting Al mass and heat treatment process, Ni whiskers can be controlled in volume, size, and distribution. We optimized the parameters to minimize the overpotential at low and high current densities. The results revealed that the optimal sample requires an overpotential of just 240 mV at 10 mA.cm-2 and 350 mV at 500 mA.cm-2.
In this study, we synthesized two catalysts with very high activity (Iridium oxide and Fe-Ni LDH) on Ni-whiskers and compared the results with each other. In summary, the results indicated that both catalysts exhibited excellent performance at low current density. However, at high current density, Ni-Fe-whiskers outperformed Ni-Ir-whiskers. This is attributed to the detachment of Ni whiskers and subsequent blockage of the structure during Ir deposition in acidic media, which hinders mass transport.
Another approach involves producing a porous transport layer (PTL) for PEMWE. The majority of PTLs are made from titanium powder or fibers that are compressed and sintered for structural and chemical integrity. In this study, a Ti-based PTL was produced via Shock-Wave Induced Spraying (SWIS) deposition, eliminating heat treatment for structural and mechanical stability. In conjunction with SWIS process conditions, porogens were examined for their effect on controlling and increasing Ti-based PTL porosity. Two types of porogen (Cu and Al) were used to investigate the effect of porogen density on the deposition efficiency and porosity of the resulting coatings. The Al porogen allowed for the production of Ti-based PTLs coatings with ca. 60% porosity, which is a very desirable feature for producing PTLs with higher gas permeability.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Guay, Daniel
Mots-clés libres:	Électrolyse d'eau alcaline ; électrolyse de l'eau à membrane d'échange de protons ; réaction d'évolution de l'oxygène ; électrodes tridimenssionnelles ; euctectique Ni-Al ; Ni de Raney ; couche de transport poreuse ; pulvérisation induite par les ondes de choc ; Alkaline water electrolysis ; Proton exchange membrane water electrolysis ; Oxygen evolution reaction ; three dimensional electrodes ; Ni-Al eutectic; Raney Ni ; Porous transport layer ; Shock-Wave Induced Spraying
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	16 mai 2024 17:00
Dernière modification:	16 mai 2024 17:00
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15667

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