The development of 3-dimensional superaerophobic catalytic electrodes for the oxygen evolution reaction.

Abbasi, Somayyeh (2024). The development of 3-dimensional superaerophobic catalytic electrodes for the oxygen evolution reaction. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 199 p.

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Résumé

L'électrolyse de l'eau offre une solution prometteuse pour le stockage d'énergie tout en contribuant à la lutte contre le changement climatique en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles en diminution constante. Ce processus comprend la réaction d'évolution de l'oxygène (OER) et la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER). Malheureusement, la réaction anodique est caractérisée par une cinétique lente, posant un défi à une électrolyse de l'eau efficace. Pour améliorer leurs performances, des électrocatalyseurs à base de Ni ont été étudiés en tant qu'alternatives aux catalyseurs de métaux nobles tels que l'oxyde d'iridium (IrO2) et l'oxyde de ruthénium (RuO2) en raison de leur abondance et de leur résistance à la corrosion dans des environnements alcalins. Cependant, le nickel en lui-même ne fournit pas un électrocatalyseur OER efficace ; des modifications de surface deviennent donc essentielles pour surmonter cet obstacle. La formation et le détachement des bulles de gaz (O2) de la surface de l'électrode posent un défi significatif. De plus, l'instabilité des électrocatalyseurs existants peut entraîner leur dégradation sous des densités de courant opérationnelles. Ces facteurs contribuent à des exigences élevées en termes d'apport énergétique. Ainsi, cette thèse vise à développer des catalyseurs OER économiques, durables et efficaces. Cet objectif a été atteint par un processus en deux étapes : la conception d'un support micro/nano-ingénié aux propriétés superaérophobes pour atténuer l'effet des bulles, suivi de la catalyse avec des couches de nanofeuillets de NiCo LDH et de NiFe LDH, le tout avec un contrôle précis des paramètres de dépôt. Au cours du premier projet, des électrodes en squelette de Ni en 3D aux propriétés superaérophobes ont été fabriquées par électrodéposition et gabarit dynamique de bulles d'hydrogène. Elles ont ensuite été modifiées via l'électrodéposition de NiCo LDH. Les NiCo LDH ont été déposés sous forme de nanofeuillets verticalement alignés dans la structure poreuse du squelette 3D, réalisée en ajustant la densité de courant de dépôt. Les variations dans la densité de courant de dépôt ont influencé la composition de la couche LDH. La densité de courant de dépôt optimale, maximisant l'activité catalytique, a été déterminée. Cette modification optimale avec NiCo LDH a multiplié par dix la surface électrochimiquement active, réduit l'adhérence des bulles d'air, entraînant ainsi en un surpotentiel stable de 340 mV à 250 mA cm-2 pendant 56 heures d'électrolyse, et a présenté une pente de Tafel de 40 mV déc-1. La même méthode utilisée pour les NiCo LDHs a également été utilisée pour déposer des NiFe-LDHs nanostructurés sur une structure tridimensionnelle en nickel. La densité de courant de dépôt optimale pour maximiser la performance OER a été déterminée. Les NiFe LDHs déposés de manière optimale ont présenté une performance OER exceptionnelle avec des surpotentiel de 218 mV et 239 mV à 10 et 250 mA cm-2, respectivement. Cette activité catalytique remarquable en fait l'un des catalyseurs OER à base de Ni les plus efficaces à ce jour, idéal pour des applications pratiques dans les électrolyseurs. Cependant, l'activité électrocatalytique remarquable du NiFe LDH est compromise par la formation de phases moins actives pour l'OER pendant la formation du LDH. L'étude vise à optimiser la technique de dépôt, en éliminant le matériau moins actif sans compromettre les performances globales du NiFe LDH, grâce à une technique de calibration d'électrocatalyseur conçue pour évaluer la stabilité des électrocatalyseurs. Le dernier chapitre de cette étude se concentre sur le développement d'électrodes en 3D à base de Ni utilisant les techniques de dépôt par pulvérisation induite par onde de choc (SWIS) et de pulvérisation à froid (CS). Parmi les revêtements préparés, une augmentation de la porosité allant jusqu'à 41 % a été obtenue grâce au dépôt CS de poudre de Ni-Al, suivi de la lixiviation de l'aluminium. Cette approche a abouti à une surface superaérophobe et à une amélioration notable de la surface électrochimiquement active de l'électrode. De plus, cette électrode a présenté un surpotentiel de 330 mV à 100 mA cm-2, la rendant plus efficace que les électrodes conventionnelles en mousse de Ni et en plaque de Ni.

Water electrolysis offers a promising solution for energy storage while addressing climate change by reducing the dependence on ever-diminishing fossil fuels. This process includes oxygen evolution reaction (OER) and hydrogen evolution reaction (HER). The anodic reaction, unfortunately, is characterized by slow kinetics, presenting a challenge to efficient water electrolysis. To enhance their performance, Ni-based electrocatalysts have been investigated as alternatives to noble metal catalysts such as iridium oxide (IrO2) and ruthenium oxide (RuO2) due to their abundance and corrosion resistance in alkaline environments. However, nickel by itself does not provide an efficient OER electrocatalyst; surface modifications thus become essential for overcoming this hurdle. The formation and the detachment of gas bubbles (O2) from the electrode surface pose a significant challenge. Furthermore, the instability of the existing electrocatalysts can lead to their degradation under operational current densities. These factors contribute to high energy input requirements. Thus, this thesis aims to develop cost-effective, durable, and efficient OER catalysts. This goal was achieved through a two-step process: designing micro/nano-engineered support with superaerophobic properties to mitigate the bubble effect, and subsequent catalyzing with NiCo LDH and NiFe LDH nanosheet layers, all with precise control of deposition parameters. During the first project, 3D Ni skeleton electrodes with superaerophobic properties were fabricated through electrodeposition and dynamic hydrogen bubble templating. They were then modified via NiCo LDH electrodeposition. NiCo LDHs were deposited in the form of vertically aligned nanosheets throughout the porous structure of the 3D skeleton, achieved by adjusting the deposition current density. Variations in the deposition current influenced the composition of the LDH layer. The optimal deposition current density, which maximized catalytic activity, was determined. This optimal modification with NiCo LDH enhanced the electrochemically active surface area tenfold, lowered air bubble adhesion, therefore resulting in a stable overpotential of 340 mV at 250 mA cm-2 during 56 hours of electrolysis, and exhibited a Tafel slope of 40 mV dec-1. The same method used for NiCo LDHs was also utilized to deposit nanostructured NiFe LDHs on a 3D Ni skeleton. The optimal deposition current density for maximizing OER performance was determined. Optimally deposited NiFe LDH exhibited exceptional OER performance with overpotentials of 218 mV and 239 mV at 10 and 250 mA cm-2, respectively. This remarkable catalyst activity renders it one of the most efficient Ni-based OER catalysts to date, ideal for practical applications in electrolyzers. However, the remarkable electrocatalytic activity of NiFe LDH is compromised by the formation of less OER-active phases during LDH formation. The study aims to optimize the deposition technique, removing less active

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Guay, Daniel
Mots-clés libres:	Électrolyse alcaline de l'eau ; électrode poreuse en 3D ; superaérophobe ; électrocatalyseurs ; évolution de l'oxygène ; hydroxydes doubles lamellaires, activation, pulvérisation à froid, pulvérisation induite par onde de choc ; Alkaline water electrolysis ; 3D porous electrode ; Super-aerophobic ; Electrocatalysts ; Oxygen evolution ; Layered double hydroxides ; Cold spray ; Shock-wave induced spray.
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	28 nov. 2024 20:37
Dernière modification:	28 nov. 2024 20:37
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/16204

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