Fonctionnalisation de la surface de plomb pour l’électroréduction du CO₂.

Zouaoui, Nidhal (2017). Fonctionnalisation de la surface de plomb pour l’électroréduction du CO₂. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 110 p.

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Résumé

Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre et l’augmentation de sa concentration atmosphérique est considérée en partie responsable du réchauffement climatique. La réduction des émissions de dioxyde de carbone est aujourd'hui considérée comme une nécessité et l’une des méthodes les plus prometteuses qui permettent de valoriser le CO₂ capté est l’électroréduction. Cette technique possède l’avantage de pouvoir utiliser les énergies renouvelables pour transformer le CO₂ en un large éventail de produits à haute valeur ajoutée tels que l’acide formique, le méthane, le méthanol ou l’éthanol. Cependant, les performances des catalyseurs actuels en termes de sélectivité, activité et stabilité ralentissent le déploiement de cette technologie. L’objectif de ces travaux de recherche est de préparer de nouveaux électrocatalyseurs actifs, sélectifs et stables pour l’électroréduction du CO₂. Les résultats obtenus révèlent que ce type de catalyseurs pourrait être préparé par une simple modification de la surface de plomb par des alkyles amines. Dans un premier temps, des électrodes de plomb modifiées par des alkyles amines par greffage électrochimique de sels de diazonium ont été préparées et caractérisées. Trois molécules d’amines aromatiques ont été utilisées soit la 4-(2-aminoethyl) aniline (AEA); la 4-aminobenzylamine (4-ABA) et la 3-aminobenzylamine (3-ABA). L'effet du temps de réaction, du potentiel de réduction et de la concentration des sels de diazonium sur le taux de recouvrement ont été étudiés. La présence d’une couche organique à la surface du plomb a été confirmée par des mesures d’angle de contact, et des caractérisations par spectroscopie de photoélectrons X (SPX) et par microscopie électronique à balayage. Les propriétés électrocatalytiques des alkyles amines pour la réduction du CO₂ ont ensuite été évaluées. Les électrodes de plomb modifiées par les groupements amines, ont démontré une amélioration de l’efficacité faradique pour la production de formate. À -1,09 V vs ERH, l’efficacité faradique pour la production de formate sur une électrode de plomb modifiée par AEA, 4-ABA et 3-ABA atteint respectivement 95%, 93% et 69,4%. Des tests de longues durées (3h) ont montré que cette activité est stable sur cette période de temps. La constance du courant cathodique observée après greffage électrochimique des amines sur la surface de plomb reflète une stabilisation des propriétés électrocatalytiques de l’électrode pour la réaction de réduction du CO₂. Cette amélioration est causée en partie par la réduction de l’activité du plomb pour le dégagement d’hydrogène, et pourrait être reliée à l’augmentation de la densité de molécules du CO₂ près de l’électrode ou encore à l’interaction existante entre le groupement NH₂ et la molécule du CO₂ qui a pour conséquence la stabilisation de l’intermédiaire réactionnel CO₂•- et la diminution de la surtension. Comparativement au plomb, qui donne un rendement de 23% et un courant instable au cours du temps dans les mêmes conditions opératoires, la modification de la surface par les alkyles amines semble être une voie prometteuse pour augmenter l’activité et la sélectivité pour la formation des formates et surmonter le problème de stabilité de l’électrode.

Carbon dioxide is a greenhouse gas and its increasing atmospheric concentration is partially responsible for global warming. The reduction of carbon dioxide in the atmosphere is now considered a necessity, and electroreduction is one of the most promising methods for reutilizing the captured CO₂. This technique has the advantage of being able to use renewable energies to transform CO₂ into various chemicals such as, formic acid, methane, methanol or ethanol. However, the low performance of current catalysts in terms of selectivity, activity and stability is slowing down the development of this technology. The objective of this research work is to prepare new active, selective and stable catalysts for the electroreduction of CO₂ to formate. The results obtained in this work reveal that a new type of catalyst may be prepared by a simple modification of the lead surface by alkylamines. In a first step, lead electrodes modified with alkylamines by electrochemical grafting of diazonium salts were prepared and characterized. Three molecules of aromatic amines have been used: 4- (2-aminoethyl) aniline (AEA); 4-aminobenzylamine (4-ABA) and 3-aminobenzylamine (3-ABA). The effect of reaction time, reduction potential and concentration of diazonium salts on the extent of grafting were investigated. The formation of the aryl-metal bond was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and the formation of an organic film confirmed by scanning electron microscopy and water contact angle measurements. The electrocatalytic properties of the alkylamines for CO₂ reduction were then evaluated. The lead electrodes modified by the amine groups, have demonstrated high faradic efficiency for formate production. At -1,09 V vs ERH, the faradic efficiency of formate on a lead electrode modified by AEA, 4-ABA and 3-ABA reaches respectively 95%, 93% and 69,4%. Long-term tests (3h) have shown that the activity of the electrodes is stable over this period of time. The stabilization of the current observed after electrochemical grafting of the amines on the lead surface reflects a stabilization of the electrocatalytic properties of the electrode for the CO₂ reduction reaction. Such improvement was partially related to the reduction of the rate of the hydrogen evolution reaction, a competing reaction. However, it could also be due to an interaction between the NH₂ group and the CO₂ molecule which results in the stabilization of the CO₂ reaction intermediate and a decrease in the overpotential. Compared to lead, which gives a 23% yield and an unstable current over time under the same operating conditions, the modification of the Pb surface by the alkylamines seems to be a promising way to increase its activity and the selectivity for formate and overcome the loss of activity over time.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Guay, Daniel
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Tavares, Ana C.
Mots-clés libres:	sel de diazonium; alkyle amines; plomb; catalyse hétérogène; réduction électrochimique du CO₂; 4-(2-aminoethyl) aniline; 4-aminobenzylamine; 3-aminobenzylamine; diazonium salts; alkylamines; lead; heterogeneous catalysis; CO₂ electroreduction; 4-aminobenzylamine
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	10 mai 2018 15:16
Dernière modification:	30 sept. 2021 19:43
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/6956

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