Nouvelle cathode d’AEM avec catalyseurs base nickel

De l’intégration du nickel à la cathode d’électrolyseurs à membrane échangeuse d’anions

Le projet DAEMONHYC a pour ambition de développer l’électrolyse alcaline à membrane échangeuse d’anions (AEMWE) pour permettre la montée en échelle de la production d’hydrogène bas carbone. En milieu alcalin, les catalyseurs à base de platine pour le dégagement de l’hydrogène (HER) peuvent être remplacés par des matériaux moins couteux à base de nickel, mais leurs performances sont fortement liées à leur nanostructuration et à leur état de surface. Il est nécessaire de produire des nanostructures aussi petites que possibles (< 10 – 15 nm) car l’activité du matériau est directement proportionnelle à sa surface développée et l’état d’oxydation des particules doit être contrôlé parce que l’activité intrinsèque du nickel est optimale en présence d’hétérostructures « Ni@NiO_x », autrement dit lorsque la surface métallique (Ni) est partiellement oxydée (NiO_x).

Des hétérostructures de nickel préparées par électrodéposition

Obtenir de telles hétérostructures de manière contrôlée n’est pas trivial. Pour ce faire, nous avons utilisé une technique d’électrodéposition : l’application d’un potentiel suffisamment négatif permet de réduire un sel de nickel en solution sur un substrat choisi. Cette électrodéposition est suivie d’une oxydation de la surface contrôlée en temps et en potentiel de façon à produire des hétérostructures avec différent degrés d’oxydation.  Nous avons été ainsi en mesure de fabriquer une librairie de matériaux à base de nickel et de déterminer les optimums sur le degré d’oxydation en fonction de la taille des particules. Par exemple, sur la figure 1.a), pour des particules de 30nm, on constate que le ratio d’oxydation optimal est de 60%.

Par-delà l’état de l’art des métaux non-nobles – et vers des performances similaires au platine ?

Ces matériaux ont ensuite été mis à l’échelle, c’est à dire préparés sur des électrodes suffisamment grandes pour être intégrées dans une cellule d’électrolyse représentative de l’application industrielle. Dans ce but, une cellule d’électrodéposition spécifique a été développé. Celle-ci nous a permis de fabriquer la première cathode originale issue du projet DAEMONHYC. Elle a été testée en cellule de 25cm² (figure 1.b) et présente des performances supérieures aux électrodes non-nobles de l’état de l’art, permettant ainsi de réduire l’écart de performance avec le platine, malgré le faible chargement en nickel de ce premier essai. Continuer d’améliorer ces matériaux est maintenant l’objectif pour – qui sait – supplanter le platine en tant que roi des catalyseurs de l’HER.

G. Maranzana, chef du projet DAEMONHYC, LEMTA