Nanostructuration : Matériaux pour la Conversion de l'Energie

Les activités de recherche dans ce thème se sont progressivement développées au cours des 15 dernières années et se déclinent selon les volets suivants :

  • Les matériaux pour piles à combustible à membrane et à céramique protonique
  • L'électrolyse en milieu alcalin et à membrane protonique pour la production d'hydrogène
  • La production d'hydrogène à partir d'hydrocarbures
  • La détection d'hydrogène

Un des moteurs de ces recherches est l'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique, en particulier dans les piles à combustible. Les activités de l'équipe s'inscrivent dans le cadre des efforts développés dans la plupart des pays industrialisés pour répondre aux exigences dans le domaine des applications stationnaires et du transport. Elle joue un rôle particulièrement actif dans la Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (Joint Technology Initiative : FCH 2 JU).

Dans le domaine des piles à combustible basse température, nous avons développé diverses approches pour l'élaboration de membranes polymères en exploitant l'auto-organisation pour les "interactions faibles", les interactions ioniques ou acide base, la polymérisation in situ de monomères fonctionnalisés pour obtenir des architectures originales nano, méso ou macro-structurées : réseaux semi-interpénétrés, membranes alternant des textures denses et poreuses, membranes présentant une double fonctionnalité (i.e. sulfonique et phosphonique). Les membranes ionomère, en particulier les membranes perfluorosulfonées, présentent une morphologie complexe associée à une séparation de phase entre domaines hydrophobes (matrice fluorée) et des domaines hydrophiles dont la taille augmente avec le degré d'hydratation. Une conséquence directe de cette situation est la diminution des performances des PEMFC à température élevée (>90 °C), la diminution de la conductivité, la dégradation des propriétés mécaniques. L'assemblage de nanofibres au sein d'une matrice de polymère pour créer une interface supplémentaire entre zones hydrophiles et hydrophobes permet de dissocier les deux fonctions : conduction protonique et stabilité mécanique.


Ce deuxième axe a pendant longtemps été considéré comme une simple curiosité scientifique avec des perspectives limitées pour des applications réelles où des densités de puissance élevées sont nécessaires. Cependant, plusieurs percées récentes très significatives dans le développement d'électrocatalyseurs obtenus à partir de fer (cobalt), azote et carbone ont complètement modifié notre façon de percevoir ce type d'électrocatalyseur.

En parallèle au développement de diverses méthodes pour la synthèse et la modification de la surface des systèmes Fe/N/C de manière à augmenter la résistance des sites catalytiques, aux attaques oxydantes ou à l'adsorption des anions à la surface, nous mettons en œuvre une méthodologie expérimentale pour caractériser les catalyseurs et leur dégradation au cours du temps avec l'appui des techniques avancées comme les spectroscopies Mössbauer et l'absorption de rayons X in situ ou operando, ou la spectroscopie XPS (Chaire d'Excellence ANR CAFERINNO, FCH JU CATAPULT, FCH 2 JU INSPIRE).

L'équipe continue ses travaux dans le domaine des piles à combustible à céramique protonique dans le contexte du projet FCH-JU METPROCELL – pile à combustible à céramique protonique (FCH-JU 2012-2015) à la fois sur les matériaux d'anode, les céramiques protoniques et l'intégration des différents éléments du cœur de pile, collaboration directe avec l'European Institute for Energy Research.

Nos activités recouvrent aussi la détection d'hydrogène, sa purification, sa production par électrolyse, ainsi que la production d'hydrogène par voie catalytique à partir du kérosène ou de l'essence. Les activités dans le domaine de l'électrolyse PEM (FP7 ITN SUSHGEN, FCH-JU ElectroHyPEM) reposent sur l'expérience développée dans l'élaboration de membranes haute température et mécaniquement stables. L'électrolyse alcaline est technologie mature mais elle peut être revue en intégrant les apports des méthodes de nanostructuration des matériaux catalytiques.
La formulation originale d'électrodes composites permet à la fois de maximiser la surface active, et les propriétés de transport de matière aux interfaces, mais également d'explorer de nouveaux matériaux électrocatalytiques. Dans une application de l'électrolyse alcaline, où l'objectif est la cogénération d'hydrogène et d'oxygène pour une utilisation comme combustible dans la soudure, les travaux sont cofinancés par l'ADEME et la PME régionale Bulane, et subventionnés aussi dans le cadre d'un projet "Maturation" par la SATT AXLR.



Les carbures poreux, qui font l'objet d'étude dans le contexte des PEMFC haute température, sont étudiés comme précurseurs de carbones à porosité hiérarchique ("carbone dérivé de carbures") pour d'autres applications électrochimiques, et plus particulièrement comme matériau de supercondensateur.

Institut Charles Gerhardt Montpellier - Direction

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