EP3887572A1 - Procede de preparation d'un materiau catalytique d'electrode pour des reactions de reduction electrochimique prepare par electroreduction - Google Patents

Procede de preparation d'un materiau catalytique d'electrode pour des reactions de reduction electrochimique prepare par electroreduction

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EP3887572A1
EP3887572A1 EP19806186.3A EP19806186A EP3887572A1 EP 3887572 A1 EP3887572 A1 EP 3887572A1 EP 19806186 A EP19806186 A EP 19806186A EP 3887572 A1 EP3887572 A1 EP 3887572A1
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EP
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precursor
metal
mixture
atoms
catalytic material
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Application number
EP19806186.3A
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Audrey BONDUELLE-SKRZYPCZAK
Sofiane BELAID
David Pasquier
Emmanuelle TRELA-BAUDOT
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to the field of electrochemistry, and more particularly to electrodes suitable for being used for electrochemical reduction reactions, in particular for the electrolysis of water in a liquid electrolytic medium in order to produce hydrogen.
  • the present invention relates to a process for preparing a catalytic material for an electrode comprising an active phase comprising at least one group VI metal obtained from a solution comprising at least one group VI element in electroreduced form.
  • the hydrogen evolution reaction occurs at the cathode and the oxygen evolution reaction (OER) occurs at the anode.
  • the overall reaction is:
  • Catalysts are required for both reactions. Different metals have been studied as catalysts for the reaction to produce dihydrogen at the cathode. Today, platinum is the most used metal because it has an overvoltage (voltage required to dissociate the water molecule) negligible compared to other metals. However, the rarity and the cost (> 25 k € / kg) of this noble metal are obstacles to the economic development of the hydrogen sector in the long term. This is the reason why, for a number of years now, researchers have been turning to new catalysts, without platinum, but based on inexpensive metals which are abundant in nature.
  • Water electrolysis is an electrolytic process which breaks down water into O 2 and H 2 gas with the help of an electric current.
  • the electrolytic cell consists of two electrodes - usually made of inert metal (in the potential and pH zone considered) like platinum - immersed in an electrolyte (here water itself) and connected to the opposite poles of the source of direct current.
  • the electric current dissociates the water molecule (H 2 0) into hydroxide ions (HO) and hydrogen H + : in the electrolytic cell, the hydrogen ions accept electrons at the cathode in a redox reaction by forming gaseous dihydrogen (H 2 ), depending on the reduction reaction:
  • the materials based on MoS 2 have a lamellar structure and can be promoted by Ni or Co in order to increase their electrocatalytic activity.
  • the active phases can be used in mass form when the conduction of electrons from the cathode is sufficient or else in the supported state, then bringing into play a support of a different nature.
  • the support must have specific properties: - large specific surface to promote the dispersion of the active phase;
  • Carbon is the most commonly used support in this application.
  • the challenge lies in the preparation of this sulfurized phase on the conductive material.
  • a catalyst having a high catalytic potential is characterized by an associated active phase perfectly dispersed on the surface of the support and having a high active phase content. It should also be noted that, ideally, the catalyst must have accessibility to the active sites with respect to the reactants, here water, while developing a high active surface, which can lead to specific constraints in terms of structure and texture, specific to the support constituting said catalysts.
  • the usual methods leading to the formation of the active phase of catalytic materials for the electrolysis of water consist of a deposit of precursor (s) comprising at least one metal from group VIB, and optionally at least one metal from group VIII, on a support by the technique known as "dry impregnation” or by the technique known as “excess impregnation”, followed by at least one possible heat treatment to remove the water and by a final stage of generating sulphurization of the active phase, as mentioned above.
  • an electrochemical group VIB metal makes it possible to obtain catalytic performances, in particular in terms of activity, at least as good, or even better than the electrode catalytic materials prepared according to the prior art, while being free from the introduction of any additional reducing and potentially deleterious chemical agent to catalytic activity.
  • a first object according to the invention relates to a process for the preparation of a catalytic material for an electrode for electrochemical reduction reactions, said material comprising at least one active phase based on a metal from group VIB and an electro- conductor, which method comprises at least the following steps:
  • step b) a step of impregnating said support with said solution obtained in step a) to obtain a precursor of catalytic material; c) a step of drying said precursor obtained in step b) at a temperature below 250 ° C., without subsequent calcination;
  • step d) a step of sulfurization of the precursor of catalytic material obtained in step c) at a temperature between 100 ° C and 600 ° C.
  • step a) is carried out in an electrolyser comprising at least two electrochemical compartments separated by a membrane or a porous separator and respectively containing one the anode and the other the cathode.
  • the current density applied in step a) is between 5 and 500 mA / cm 2 .
  • said precursor comprising at least one metal from group VI is chosen from polyoxometallates corresponding to the formula (H h X x M m O y ) q in which X is an element chosen from phosphorus (P), silicon ( Si), boron (B), nickel (Ni) and cobalt (Co), M is one or more metal (s) chosen from molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel ( Ni), cobalt (Co) and iron (Fe), O being oxygen, h being an integer between 0 and 12, x being an integer between 0 and 4, m being an integer equal to 5.6 , 7, 8, 9, 10, 11, 12 and 18, y being an integer between 17 and 72 and q being an integer between 1 and 20, it being understood that M is not a nickel atom or an atom cobalt alone.
  • X is an element chosen from phosphorus (P), silicon ( Si), boron (B), nickel (Ni) and cobalt (Co)
  • M is one or more metal (s) chosen
  • the m atoms M are either only molybdenum (Mo) atoms, or only tungsten (W) atoms, or a mixture of molybdenum (Mo) and tungsten atoms ( W), either a mixture of molybdenum (Mo) and cobalt (Co) atoms, or a mixture of molybdenum (Mo) and nickel (Ni) atoms, or a mixture of tungsten (W) atoms and nickel (Ni).
  • the m atoms M are either a mixture of nickel (Ni), molybdenum (Mo) and tungsten (W) atoms, or a mixture of cobalt (Co) atoms , molybdenum (Mo) and tungsten (W).
  • At least one precursor of the active phase is introduced comprising at least one metal from group VIII, said precursor being brought into contact with the electrically conductive support by impregnation either:
  • step b1) before the impregnation step b) of said support with the solution obtained in step a), in a so-called pre-impregnation step b1) using a solution comprising at least one phase precursor active ingredient comprising at least one group VIII metal; ii) during the impregnation step b), in co-impregnation with said solution comprising at least one precursor of the active phase comprising at least one partially reduced group VIB metal obtained in step a);
  • step c) after step c) of sulfurization, in a step called post-impregnation b3) using a solution comprising at least one precursor of the active phase comprising at least one metal from group VIII.
  • said group VIII metal is chosen from nickel, cobalt and iron.
  • the sulfurization temperature is between 350 ° C. and 550 ° C.
  • the sulfurization temperature is between 100 ° C and 250 ° C or between 400 ° C and 600 ° vs.
  • said electrically conductive support comprises at least one material chosen from carbonaceous structures of the carbon black type, graphite, carbon nanotubes or graphene.
  • said electrically conductive support comprises at least one material chosen from gold, copper, silver, titanium, silicon.
  • At least one ionic conductive polymeric binder is dissolved in a solvent or a mixture of solvent;
  • step 2) adding to the solution obtained in step 1) at least one catalytic material prepared according to the invention, in powder form, to obtain a mixture;
  • steps 1) and 2) being carried out in an indifferent order, or simultaneously;
  • step 2) the mixture obtained in step 2) is deposited on a metallic or metallic type support or collector.
  • Another object according to the invention relates to an electrolysis device comprising an anode, a cathode, an electrolyte, said device being characterized in that one in the month of the anode or of the cathode is an electrode according to the invention .
  • Another object according to the invention relates to the use of the electrolysis device in electrochemical reactions, and more particularly as according to the invention as:
  • group VIII according to the CAS classification corresponds to the metals in columns 8, 9 and 10 according to the new IUPAC classification.
  • BET surface is understood to mean the specific surface determined by nitrogen adsorption in accordance with standard ASTM D 3663-78 established on the basis of the BRUNAUER - EMMET - TELLER method described in the periodical "The journal of the American Chemical Society", 60 , 309 (1938).
  • catalytic precursor comprising at least one metal from group VI B in partially reduced form means a precursor of which at least one metal atom from group VI B has a valence of less than 6.
  • the preparation process according to the invention makes it possible to carry out the prior reduction of a solution containing at least one precursor of the active phase of the catalytic material comprising at least one metal of group VI B by an electrochemical route allowing performance to be obtained. less as good in terms of activity, or even improved, as the materials prepared according to the prior art, while dispensing with the introduction of any additional reducing chemical agent (potentially toxic such as hydrazine) and / or potentially deleterious to catalytic activity.
  • any additional reducing chemical agent potentially toxic such as hydrazine
  • the present invention relates to a process for the preparation of electrode catalytic material for carrying out an electrochemical reduction reaction, and in particular for the production of hydrogen by electrolysis of water, said catalytic material comprising at least one metal from group VIB, and optionally from group VIII, from a solution comprising at least one precursor of the active phase comprising at least one metal from group VIB electro-reduced, which has undergone electrolysis via an electrochemical circuit, making it possible to generate part of the atoms of the group VIB at a lower valence than their normal VIB valence, as it is in molybdates, tungstates, polymolybdates and polytungstates.
  • the process for preparing a catalytic material for an electrode for electrochemical reduction reactions comprises at least the following steps:
  • step b) a step of impregnating said support with said solution obtained in step a) to obtain a precursor of catalytic material
  • step b) a step of drying said precursor obtained in step b) at a temperature below 250 ° C, without subsequent calcination;
  • step c) a step of sulfiding the precursor of catalytic material obtained in step c) at a temperature between 100 and 600 ° C.
  • the term “calcination” means any heat treatment carried out at a temperature greater than or equal to 250 ° C., in an atmosphere comprising O 2 .
  • Step a) of the preparation process according to the invention makes it possible to reduce at least part of the metals of group VIB to a valence of less than +6.
  • Precursors comprising at least one metal from group VIB
  • the precursors of the active phase comprising at least one metal from group VIB can be chosen from all the precursors of elements from group VIB known to those skilled in the art. They can be chosen from polyoxometallates (POM) or salts of precursors of elements of group VIB, such as molybdates, thiomolybdates, tungstates or even thiotungstates. They can be chosen from organic or inorganic precursors, such as M0CI5 or WCI 4 or WCI 6 or the alkoxides of Mo or W, for example Mo (OEt) 5 or W (OEt) 5 .
  • POM polyoxometallates
  • salts of precursors of elements of group VIB such as molybdates, thiomolybdates, tungstates or even thiotungstates.
  • organic or inorganic precursors such as M0CI5 or WCI 4 or WCI 6 or the alkoxides of Mo or W, for example Mo (OEt) 5 or W (OEt
  • polyoxometallates is understood to be the compounds corresponding to the formula (H h X x M m O y ) q in which H is hydrogen, X is an element chosen from phosphorus (P), silicon (Si), boron (B), nickel (Ni) and cobalt (Co), said element being taken alone, M is one or more element (s) chosen from molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni), cobalt (Co) and iron (Fe), O being oxygen, h being an integer between 0 and 12, x being an integer between 0 and 4, m being an integer equal to 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1, 12 and 18, y being an integer between 17 and 72 and q being an integer between 1 and 20.
  • H hydrogen
  • X is an element chosen from phosphorus (P), silicon (Si), boron (B), nickel (Ni) and cobalt (Co), said element being taken alone
  • M is one or more element (s) chosen from molybdenum (
  • the element M cannot be a nickel atom or a cobalt atom alone.
  • the polyoxometallates defined according to the invention include two families of compounds, isopolyanions and heteropolyanions. These two families of compounds are defined in the article Heteropoly and Isopoly Oxometallates, Pope, Ed Springer-Verlag, 1983.
  • the m atoms M of said isopolyanions are either only molybdenum atoms, or only tungsten atoms, or a mixture of molydene and tungsten atoms, or a mixture of molybdenum and cobalt atoms, or a mixture of molybdenum and nickel atoms, either a mixture of tungsten and cobalt atoms, or a mixture of tungsten and nickel atoms.
  • the m atoms M of said isopolyanions can also be either a mixture of nickel, molybdenum and tungsten atoms or a mixture of cobalt, molybdenum and tungsten atoms.
  • m is equal to 7.
  • W tungsten
  • Isopolyanons Mo 7 0 2 4 6 and H 2 W 12 0 o 6 are advantageously used as active phase precursors in the context of the invention.
  • Heteropolyanions generally have a structure in which the element X is the "central" atom and the element M is a metallic atom practically systematically in octahedral coordination with X different from M.
  • the m atoms M are either only molybdenum atoms, or only tungsten atoms, or a mixture of molybdenum and cobalt atoms, or a mixture of molybdenum and nickel, or a mixture of atoms tungsten and molybdenum, either a mixture of tungsten and cobalt atoms, or a mixture of tungsten and nickel atoms.
  • the m atoms M are either solely molybdenum atoms, or a mixture of molybdenum and cobalt atoms, or a mixture of molybdenum and nickel.
  • the m atoms M cannot be only nickel atoms, nor only cobalt atoms.
  • the element X is at least one phosphorus atom or one Si atom.
  • Heteropolyanions are negatively charged polyoxometallate species. To compensate for these negative charges, it is necessary to introduce counterions and more particularly cations. These cations can advantageously be H + protons, or any other cation of NH 4 + type or metal cations and in particular metal cations of Group VIII metals.
  • the molecular structure comprising the heteropolyanion and at least one proton constitutes a heteropolyacid.
  • the heteropolyacids which can be used as active phase precursors in the present invention can be, for example, phosphomolybdic acid (3H + , PMo 12 O 40 3 ) or alternatively phosphotungstic acid (3H + , PW 12 O 40 3 ) ⁇
  • the polyoxometallates used according to the invention are the compounds corresponding to the formula (H h X x M m O y ) q in which H is hydrogen, X is an element chosen from phosphorus (P), silicon (Si), boron (B), nickel (Ni) and cobalt (Co), said element being taken alone, M is one or more element (s) chosen from molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni), cobalt (Co) and iron (Fe), O being oxygen, h being an integer between 0 and 6, x being an integer which can be equal to 0, 1 or 2, m being an integer equal to 5, 6, 7, 9, 10, 1 1 and 12, y being an integer between 17 and 48 and q being an integer between 3 and 12.
  • the polyoxometallates used according to the invention are the compounds corresponding to the formula (H h X x M m O y ) q in which h being an integer equal to 0, 1, 4 or 6, x being a integer equal to 0, 1 or 2, m being an integer equal to 5, 6, 10 or 12, y being an integer equal to 23, 24, 38, or 40 and q being an integer equal to 3, 4, 6 and 7, H, X, M and O having the above meaning.
  • the preferred polyoxometallates used according to the invention are advantageously chosen from the polyoxometallates of formula PMoi 2 0 4 o 3 , HPCoMon0 4 o 6 , HPNiMonO 40 6 , P2M05O23 6 , CO 2 MOI O 0 38 H 4 6 , COMO 6 0 24 H 6 4 taken alone or as a mixture.
  • Preferred polyoxometallates which can advantageously be used in the process according to the invention are the so-called Anderson heteropolyanions of general formula XM 6 0 24 q for which the ratio m / x is equal to 6 and in which the elements X and M and the charge q have the abovementioned meaning.
  • the elements X is therefore an element chosen from phosphorus (P), silicon (Si), boron (B), nickel (Ni) and cobalt (Co), said element being taken alone, M is one or several element (s) chosen from molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni) and cobalt (Co), and q is an integer between 1 and 20 and preferably between 3 and 12.
  • the Anderson heteropolyanion contains within its structure cobalt and molybdenum, a mixture of the two monomeric forms of formula CoMo 6 0 24 H 6 3 and dimeric of formula Co 2 Mo 1 o0 38 H 4 6 of said heteropolyanion, the two forms being in equilibrium, can advantageously be used.
  • said Anderson heteropolyanion is preferably dimeric with the formula Co 2 Mo 1 o0 38 H 4 6 .
  • the Anderson heteropolyanion contains within its structure nickel and molybdenum, a mixture of the two monomeric forms of formula NiMo 6 0 24 H 6 4 and dimeric of formula Ni 2 Moio0 38 H 4 8 of said heteropolyanion , the two forms being in balance, can advantageously be used.
  • said Anderson heteropolyanion is preferably monomeric with the formula NiMo 6 0 24 H 6 4 .
  • Anderson heteropolyanion salts can also be advantageously used as active phase precursors according to the invention.
  • Said Anderson heteropolyanion salts are advantageously chosen from the cobalt or nickel salts of the monomeric ion 6-molybdocobaltate respectively of formula CoMo 6 0 24 H 6 3 , 3/2 Co 2+ or COMO 6 0 24 H 6 3 , 3/2 Ni 2+ having an atomic ratio of said promoter (Co and / or Ni) / Mo of 0.41, the cobalt or nickel salts of the dimeric decamolybdocobaltate ion of formula C0 2 M0 10 O 38 H 4 6 , 3 Co 2+ or C0 2 M0 10 O 38 H 4 6 , 3 Ni 2+ having an atomic ratio of said promoter (Co and / or Ni) / Mo of 0.5, the cobalt or nickel salts of the 6- molybdonickellate ion of formula NiMo 6 0 24 H 6 4 , 2 Co 2+ or NiMo 6
  • the highly preferred Anderson heteropolyanion salts used in the invention are chosen from the dimeric heteropolyanion salts containing cobalt and molybdenum within their structure of formula C0 2 M0 10 O 38 H 4 6 , 3 Co 2 + and C0 2 M0 10 O 38 H 4 6 , 3 Ni 2+ .
  • a salt Even more preferred Anderson heteropolyanions is the dimeric Anderson heteropolyanion salt of formula C0 2 M0 10 O 38 H 4 6 , 3 Co 2+
  • Keggin heteropolyanions of general formula XM 12 0 4 o q for which the m / x ratio is equal to 12 and the so-called incomplete Keggin heteropolyanions of general formula XMn0 39 q for which the ratio m / x is equal to 1 1 and in which the elements X and M and the charge q have the abovementioned meaning.
  • X is therefore an element chosen from phosphorus (P), silicon (Si), boron (B), nickel (Ni) and cobalt (Co), said element being taken alone, M is one or more element ( s) chosen from molybdenum (Mo), tungsten (W), nickel (Ni) and cobalt (Co), and q being an integer between 1 and 20 and preferably between 3 and 12.
  • Keggin species are advantageously obtained for variable pH ranges according to the methods of production described in the publication by A. Griboval, P. Blanchard, E. Payen, M. Fournier, J. L. Dubois, Chem. Lett., 1997, 12, 1259.
  • Keggin heteropolyanion is the heteropolyanion of formula PM0 12 O 40 3 or PW 12 O 40 3 or SiMoi 2 O 40 4 or SiW 12 O 40 4 .
  • Keggin heteropolyanion can also be advantageously used in the invention in its heteropolyacid form of formula PMOI 2 O 40 3 , 3H + or PW 12 O 40 3 , 3H + or SiMoi 2 O 40 4 , 4H + or SiW 12 O 40 4 , 4H + .
  • Salts of heteropolyanions of the Keggin or Keggin lacunary type can also be advantageously used according to the invention.
  • Preferred salts of heteropolyanions or heteropolyacids of the Keggin and Keggin type are advantageously chosen from cobalt or nickel salts of phosphomolybdic, silicomolybdic, phosphotungstic or silicitungstic acids.
  • Said salts of heteropolyanions or heteropolyacids of the Keggin or Keggin lacunary type are described in US Pat. No. 2,547,380.
  • a Keggin type heteropolyanion salt is nickel phosphotungstate of formula 3 / 2Ni 2+ , PW 12 O 40 3 having an atomic ratio of the metal of group VIB to the metal of group VIII, that is to say Ni / W of 0.125.
  • Another preferred polyoxometallate which can advantageously be used as a precursor used in the process according to the invention is the Strandberg heteropolyanion of formula H h P 2 Mo 5 0 23 ⁇ 6 h) , h being equal to 0, 1 or 2 and for which the ratio m / x is equal to 5/2.
  • the preparation of said Strandberg heteropolyanions and in particular of said heteropolyanion of formula H h P 2 Mo 5 0 23 (6 h) is described in the article by WC. Cheng, NP Luthra, J. Catal., 1988, 109, 163.
  • polyoxometallates and their associated salts are available.
  • all these polyoxometallates and their associated salts can be advantageously used during the electrolysis implemented in the process according to the invention.
  • the above list is not exhaustive, however, and other combinations can be envisaged.
  • Precursors comprising at least one group VIII metal:
  • the preferred group VIII elements are non-noble elements: they are chosen from Ni, Co and Fe. Preferably, the group VIII elements are Co and Ni.
  • the group VIII metal can be introduced in the form of salts, chelating compounds, alkoxides or glycoxides.
  • the sources of group VIII elements which can advantageously be used in the form of salts, are well known to those skilled in the art. They are chosen from nitrates, sulfates, hydroxides, phosphates, carbonates, halides chosen from chlorides, bromides and fluorides.
  • Said precursor comprising at least one metal from group VIII is partially soluble in the aqueous phase or in the organic phase.
  • the solvents used are generally water, an alkane, an alcohol, an ether, a ketone, a chlorine compound or an aromatic compound. Acidified water, toluene, benzene, dichloromethane, tetrahydrofuran, cyclohexane, n-hexane, ethanol, methanol and acetone are preferred.
  • the group VIII metal is preferably introduced in the form of acetylacetonate or acetate when an organic solvent is used, in the form of nitrate when the solvent is water and in the form of hydroxides or carbonates or hydroxycarbonates when the solvent is water at an acidic pH, ie less than 7, advantageously less than 2.
  • any organic compound or any other doping element can be introduced at any stage mentioned above or in an additional stage.
  • said organic compound is advantageously deposited by impregnation, before the impregnation of the metal precursors, in co-impregnation with the metal precursors or in post-impregnation after impregnation of the metal precursors.
  • Said organic compound can be chosen from all the organic compounds known to those skilled in the art, and is selected in particular from chelating agents, non-chelating agents, reducing agents, non-reducing agents.
  • Said doping element can be chosen from precursors of B, P or Si.
  • the electrolysis method according to the invention consists in preparing a solution comprising at least one precursor of the catalytic material comprising at least one metal from group VI B in partially reduced form by the application of a cathode current aimed at maximizing in this solution , the quantity of metal of degree VIB reduced to a lower valence.
  • a compartmentalized electrolysis system is used. It consists of two separate electrochemical compartments separated by a membrane or a separator.
  • a filter press system known to those skilled in the art can be used.
  • an ion exchange membrane is preferred, to guarantee better selectivity in the transport of ions and reduce the phenomena of migration of species.
  • Perfluorosulfonée a membrane (such as Nafion membranes sold under the name ® or Aquivion ®) is preferably used.
  • the principle is to maximize the quantity of precursor comprising at least one reduced group VIB metal.
  • the reduction potential is controlled, in particular by means of a reference electrode, the evolution of the current is followed until it becomes weak, a sign that the major part of the precursor (s) comprising at least one metal from group VIB are converted.
  • the potential is limited to a certain value so as not to generate a significant secondary reaction, such as degradation of the solvent.
  • reference is made to the potential of the cathode if a reference electrode is used, or in the absence of a reference, to the value of the overall electrolysis voltage.
  • the range of reduction potential is defined beforehand.
  • This reduction potential is deduced from the voltammetry curves under conditions similar to those of electrolysis, namely, same electrode material, same pH and concentration of catalyst precursor comprising at least one metal from group VI B.
  • the potential cathode target for electrolysis is necessarily greater (in absolute value) than the potential of the first reduction wave observed in cyclic voltammetry, depending on the nature of the catalyst precursors comprising at least one group VI B metal, their concentration, the solvent, the nature of the electrode material.
  • the potential is then chosen between the reduction potential of the catalyst precursor comprising at least one metal from group VI B and the reduction potential of the solvent, so that, when the electrolysis is carried out in potentiostatic mode, the residual current once the species is reduced is low ( ⁇ 1/5 of the initial reduction current of the catalyst precursors comprising at least one metal from group VIB, preferably ⁇ 1/10 of this current).
  • This makes it possible to ensure that the secondary reactions (electrolysis of the solvent for example) are minimal and therefore that the reduction yield of the catalyst precursors comprising at least one metal from group VIB is high.
  • the concentration of degree VI metal in the catholyte is between 0.1 M and 8 M of metal, and preferably between 0.8 M and 5 M of metal.
  • the solvent used to dissolve the catalyst precursors comprising at least one metal from group VIB is selected from water, alcohols, preferably ethanol, polar solvents of alkyl carbonate type (such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate), DMF, DMSO, taken alone or in mixtures.
  • the material constituting the cathode is chosen from metals (Pt, W, Ni, Au, or any other platinum metal, such as titanium, stainless steel), or certain carbons such as vitreous carbon, or certain graphites with low porosity. (for example graphites coated with a pyrolitic carbon deposit such as the Fabmate-BG® grade from the company Poco-Graphite®).
  • a platinized metal is, for example, a good cost / performance compromise.
  • the anodic reaction can vary, but we make sure of the nature of the cationic species which migrate through the membrane and of the consequences that this migration could have on the speciation or the solubility of the catalyst precursors comprising at least one metal of group VIB. or also on the final activity of the catalyst. Typically for polyoxometallates stable in an acid medium, an anodic reaction will be preferred, leading to the release of protons, the latter migrate through the membrane and join the catholyte to balance the electroneutrality.
  • An anodic reaction useful for the invention is the oxidation of water.
  • the anolyte is preferably an aqueous solution of sulfuric acid.
  • the range of current density useful for the invention is between 5 and 500 mA / cm 2 and preferably between 10 and 200 mA / cm 2 .
  • the solvent used in step a) is aqueous or organic.
  • the precursor comprising at least one metal from group VIB is a polyoxometallate
  • it generally consists of an alcohol.
  • the precursor of the catalytic material comprising at least one metal from group VIB is a polyoxometallate
  • water and ethanol are then preferably used.
  • Step b) is a step of impregnating said support with said solution obtained in step a).
  • the impregnations are well known to those skilled in the art.
  • the impregnation method according to the invention is chosen from dry impregnation or excess impregnation.
  • said step b) is carried out by dry impregnation, which consists in bringing the electrically conductive support of the catalytic material into contact with a solution containing at least one precursor of the active phase comprising at least one metal from group VIB , obtained at the end of step a) of the preparation process, and whose volume of the solution is between 0.25 and 1.5 times the volume of the support to be impregnated.
  • the method for preparing the catalytic material comprises an additional step of introducing at least one precursor of the active phase comprising at least one metal from group VIII.
  • the impregnation of said precursor comprising at least one group VIII metal with the electrically conductive support is carried out either:
  • the precursor of the active phase comprising at least one group VIII metal is introduced into the solution comprising at least one precursor of the active phase of at least one metal of group VI B either before step a) electrolysis either after step a) of electrolysis (but before step b) of impregnation);
  • an optional second maturing step and a second drying step c2) at a temperature below 250 ° C, preferably below 180 ° C, can be carried out under the same conditions as the conditions described in stages of maturation of the precursor of the active phase comprising at least one metal from group VIB and in the drying stage c) described below;
  • step d) after step d) of sulfurization, in a step called post-impregnation b3) using a solution comprising at least one precursor of the active phase comprising at least one metal from group VIII.
  • a new maturation step a new drying step c3) at a temperature below 250 ° C., preferably below 180 ° C. and advantageously a new sulfurization step d3).
  • the drying of the precursor obtained in step b) is intended to remove the impregnating solvent.
  • the atmosphere is preferably free of O 2 in order to avoid reoxidizing the reduced precursors previously impregnated.
  • the temperature must not exceed 250 ° C, preferably 180 ° C, in order to keep intact said precursors deposited on the surface of the support. More preferably, the temperature will not exceed 120 ° C.
  • the drying is carried out under vacuum at a temperature not exceeding 60 ° C. This step can be carried out alternately by passing an inert gas flow.
  • the drying time is between 30 min and 16h. Preferably, the drying time does not exceed 4 hours.
  • the sulfurization carried out during step d) is intended to at least partially sulfurize the metal of group VI and optionally at least partially the metal of group VIII.
  • Step d) of sulfurization can advantageously be carried out using a H 2 S / H 2 or H 2 S / N 2 gas mixture containing at least 5% by volume of H 2 S in the mixture or under flow pure H 2 S at a temperature between 100 and 600 ° C, under a total pressure equal to or greater than 0.1 MPa for at least 2 hours.
  • the sulfurization temperature is between 350 ° C. and 550 ° C.
  • the sulfurization temperature is between 100 ° C and 250 ° C or between 400 ° C and 600 ° C.
  • the activity of the catalytic material of the electrode capable of being used for electrochemical reduction reactions, and in particular for the production of hydrogen by electrolysis of water, is ensured by an element of group VIB and by at least one element of group VIII.
  • the active function is chosen from the group formed by the combinations of the elements nickel-molybdenum or cobalt-molybdenum or nickel-cobalt-molybdenum or nickel-tungsten or nickel-molybdenum-tungsten.
  • the molybdenum content (Mo) is generally between 4 and 60% by weight of Mo element relative to the weight of the final catalytic material, and preferably between 7 and 50% weight relative to the weight of the final catalytic material, obtained after the last preparation step, ie after the sulfurization.
  • the tungsten content (W) is generally between 7 and 70% by weight of element W relative to the weight of the final catalytic material, and preferably between 12 and 60% by weight relative to the weight of the final catalytic material, obtained after the last stage of preparation, ie sulfurization.
  • the surface density which corresponds to the quantity of molybdenum atoms Mo deposited per surface unit of support, will advantageously be between 0.5 and 20 atoms of [Mo + W] per square nanometer of support and preferably between 1 and 15 atoms of [Mo + W] per square nanometer of support.
  • the group VIII promoter elements are advantageously present in the catalytic material at a content of between 0.1 and 15% by weight of group VIII element, preferably between 0.5 and 10% by weight relative to the weight of the final catalytic material obtained. after the last stage of preparation, ie sulfurization. Support
  • the support for the catalytic material is a support comprising at least one electrically conductive material.
  • the support for the catalytic material comprises at least one material chosen from carbonaceous structures of the carbon black type, graphite, carbon nanotubes or graphene.
  • the support for the catalytic material comprises at least one material chosen from gold, copper, silver, titanium, silicon.
  • a porous and non-electrically conductive material can be made electrically conductive by depositing on the surface thereof an electrically conductive material; let us quote for example a refractory oxide, such as an alumina, within which graphitic carbon is deposited.
  • the support for the catalytic material advantageously has a BET specific surface area (SS) greater than 75 m 2 / g, preferably greater than 100 m 2 / g, very preferably greater than 130 m 2 / g.
  • the catalytic material capable of being obtained by the preparation process according to the invention can be used as an electrode catalytic material capable of being used for electrochemical reactions, and in particular for the electrolysis of water in the medium liquid electrolytic.
  • the electrode comprises a catalytic material obtained by the preparation process according to the invention and a binder.
  • the binder is preferably a polymeric binder chosen for its capacity to be deposited in the form of a layer of variable thickness and for its capacity for ionic conduction in an aqueous medium and for diffusion of dissolved gases.
  • the layer of variable thickness advantageously between 1 and 500 ⁇ m, in particular of the order of 10 to 100 ⁇ m, may in particular be a gel or a film.
  • the ionic conductive polymer binder is:
  • - polymers stable in an aqueous medium which can be perfluorinated, partially fluorinated or non-fluorinated and having cationic groups allowing the conduction of hydroxide anions, said cationic groups being of quaternary ammonium, guanidinium, imidazolium, phosphonium, pyridium or sulfide type;
  • * is a conductor of cationic groups allowing the conduction of protons and is chosen from the group comprising in particular:
  • polymers stable in an aqueous medium and having cationic groups allowing the conduction of anions mention may in particular be made of polymer chains of perfluorinated type such as for example polytetrafluoroethylene (PTFE), of partially fluorinated type, such as for example polyvinylidene fluoride (PVDF) or non-fluorinated type such as polyethylene, which will be grafted with anionic conductive molecular groups.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • non-fluorinated type such as polyethylene
  • Mention may in particular be made of Nafion®, phosphonated sulfonated polybenzimidazole (PBI), sulfonated or phosphonated polyetheretherketone (PEEK).
  • any mixture comprising at least two polymers, at least one of which is chosen from the groups of polymers mentioned above, provided that the final mixture is ionic conductor in an aqueous medium.
  • a mixture comprising a polymer stable in an alkaline medium and having cationic groups allowing the conduction of hydroxide anions with a polyethylene which is not grafted with anionic conductive molecular groups, provided that this final mixture is anionic conductor in medium alkaline.
  • polybenzimidazole is used in the present invention as a binder. It is intrinsically not a good ionic conductor, but in an alkaline or acidic medium, it turns out to be an excellent polyelectrolyte with respectively very good anionic or cationic conduction properties.
  • PBI is a polymer generally used, in grafted form, in the manufacture of proton-conducting membranes for fuel cells, in membrane-electrode assemblies and in PEM-type electrolysers, as an alternative to Nafion®. In these applications, the PBI is generally functionalized / grafted, for example by sulfonation, in order to make it proton conductive.
  • the role of PBI in this type of system is therefore different from that that it has in the manufacture of electrodes according to the present invention where it only serves as a binder and has no direct role in the electrochemical reaction.
  • chitosan also usable as an anionic or cationic conductive polymer, is a polysaccharide having ionic conduction properties in basic medium which are similar to those of PBI (G. Couture, A. Alaaeddine, F. Boschet, B. Ameduri, Progress in Polymer Science 36 (2011) 1521-1557).
  • the electrode according to the invention is formulated by a process which further comprises a step of removing the solvent at the same time or after step 3).
  • the removal of the solvent can be carried out by any technique known to a person skilled in the art, in particular by evaporation or phase inversion.
  • the solvent is an organic or inorganic solvent whose evaporation temperature is lower than the decomposition temperature of the polymeric binder used.
  • examples that may be mentioned are dimethylsulfoxide (DMSO) or acetic acid.
  • the electrode is suitable for being used for the electrolysis of water in an alkaline liquid electrolyte medium and the polymeric binder is then an anionic conductor in an alkaline liquid electrolyte medium, in particular conductor d 'hydroxides.
  • alkaline liquid electrolyte medium means a medium whose pH is greater than 7, advantageously greater than 10.
  • the binder is advantageously conductive of hydroxides in an alkaline medium. It is chemically stable in electrolysis baths and has the capacity to diffuse and / or transport the OH ions involved in the electrochemical reaction to the surface of the particles, seats of the redox reactions for the production of H 2 and O 2 gases. . Thus, a surface which is not in direct contact with the electrolyte is nevertheless involved in the electrolysis reaction, a key point in the efficiency of the system.
  • the chosen binder and the shaping of the electrode do not impede the diffusion of the gases formed and limit their adsorption, thus allowing their evacuation.
  • the electrode is suitable for being used for the electrolysis of water in an acidic liquid electrolyte medium and the polymeric binder is a cationic conductor in an acidic liquid electrolyte medium, in particular conductor of protons.
  • the term “acid medium” is intended to mean a medium whose pH is less than 7, advantageously less than 2.
  • the mass ratio of polymer binder / catalytic material is between 5/95 and 95/5, preferably between 10/90 and 90/10, and more preferably between 10/90 and 40/60.
  • the electrode can be prepared according to techniques well known to those skilled in the art. More particularly, the electrode is formulated by a preparation process comprising the following steps:
  • At least one ionic conductive polymeric binder is dissolved in a solvent or a mixture of solvent;
  • step 2) adding to the solution obtained in step 1) at least one catalytic material prepared according to the invention, in powder form, to obtain a mixture;
  • steps 1) and 2) being carried out in an indifferent order, or simultaneously;
  • step 2) the mixture obtained in step 2) is deposited on a metallic or metallic conductive support or collector.
  • catalytic material powder means a powder consisting of particles of micron, sub-micron or nanometric size.
  • the powders can be prepared by techniques known to those skilled in the art.
  • the expression “support or collector of metallic type” means any conductive material having the same conduction properties as metals, for example graphite or certain conductive polymers such as polyaniline and polythiophene.
  • This support can see any shape allowing the deposition of the mixture obtained (between the binder and the catalytic material) by a method chosen from the group notably comprising soaking, printing, induction, pressing, coating , spinning (or “spin-coating” according to English terminology), filtration, vacuum deposition, spray deposition, casting, extrusion or rolling.
  • Said support or said collector may be solid or perforated.
  • a grid perforated support
  • a plate or a sheet of stainless steel 304L or 316L for example
  • solid supports solid supports
  • the mixture can be prepared by any technique known to a person skilled in the art, in particular by mixing the binder and the at least one catalytic material in powder form in a suitable solvent or a mixture of solvents suitable for 'obtaining a mixture with rheological properties allowing the deposition of electrode materials in the form of a film of controlled thickness on an electronic conductive substrate.
  • the use of the catalytic material in powder form allows a maximization of the surface developed by the electrodes and an enhancement of the associated performances.
  • Those skilled in the art will be able to make the choices of the different formulation parameters in the light of their general knowledge and the physico-chemical characteristics of said mixtures.
  • Another object according to the invention relates to an electrolysis device comprising an anode, a cathode, an electrolyte, in which at least one of the anode or the cathode is an electrode according to the invention.
  • the electrolysis device can be used as a water electrolysis device for the production of a gaseous mixture of hydrogen and oxygen and / or the production of hydrogen alone comprising an anode, a cathode and an electrolyte, said device being characterized in that at least one of the cathode or the anode is an electrode according to the invention, preferably the cathode.
  • the electrolysis device consists of two electrodes (an anode and a cathode, electronic conductors) connected to a direct current generator, and separated by an electrolyte (ionically conductive medium).
  • the anode is the seat of water oxidation.
  • the cathode is the seat of proton reduction and hydrogen formation.
  • the electrolyte can be:
  • a polymeric proton exchange membrane which ensures the transfer of protons from the anode to the cathode and allows the separation of the anode and cathode compartments, which avoids reoxidizing the reduced species at the cathode and vice versa; - either an ion-conducting ceramic membrane 0 2 .
  • SOEC solid oxide electrolysis
  • 'Solid Oxide Electrolyser Cell according to English terminology.
  • the minimum water supply for an electrolysis device is 0.8 l / Nm 3 of hydrogen. In practice, the real value is close to 1 l / Nm 3 .
  • the water introduced must be as pure as possible because the impurities remain in the equipment and accumulate over the electrolysis, ultimately disrupting the electrolytic reactions by:
  • the reaction has a standard potential of -1.23 V, which means that it ideally requires a potential difference between the anode and the cathode of 1.23 V.
  • a standard cell generally operates under a potential difference of 1 , 5 V and at room temperature. Some systems may operate at higher temperatures. Indeed, it has been shown that high temperature electrolysis (HTE) is more efficient than electrolysis of water at room temperature, on the one hand, because part of the energy necessary for the reaction can be provided by heat (cheaper than electricity) and, on the other hand, because the activation of the reaction is more effective at high temperature. HTE systems generally operate between 100 ° C and 850 ° C.
  • the electrolysis device can be used as a nitrogen electrolysis device for the production of ammonia, comprising an anode, a cathode and an electrolyte, said device being characterized in that at least one of the cathode or anode is an electrode according to the invention, preferably the cathode.
  • the electrolysis device consists of two electrodes (an anode and a cathode, electronic conductors) connected to a direct current generator, and separated by an electrolyte (ionic conductive medium).
  • the anode is the seat of water oxidation.
  • the cathode is the seat of nitrogen reduction and the formation of ammonia. Nitrogen is continuously injected into the cathode compartment.
  • the nitrogen reduction reaction is:
  • the electrolyte can be:
  • an aqueous solution Na 2 S0 4 or HCL, preferably saturated with nitrogen;
  • a polymeric proton exchange membrane which ensures the transfer of protons from the anode to the cathode and allows the separation of the anode and cathode compartments, which avoids reoxidizing at the anode the reduced species at the cathode and vice versa.
  • the electrolysis device can be used as a carbon dioxide electrolysis device for the production of formic acid, comprising an anode, a cathode and an electrolyte, said device being characterized in that at least one of the cathode or anode is an electrode according to the invention.
  • An example of anode and electrolyte which can be used in such a device is described in detail in the document FR3007427.
  • the electrolysis device can be used as a fuel cell device for the production of electricity from hydrogen and oxygen comprising an anode, a cathode and an electrolyte (liquid or solid), said device being characterized in that at least one of the cathode or the anode is an electrode according to the invention.
  • the fuel cell device consists of two electrodes (an anode and a cathode, electronic conductors) connected to a load C to deliver the electric current produced, and separated by an electrolyte (ionic conductive medium).
  • the anode is the seat of hydrogen oxidation.
  • the cathode is the seat of oxygen reduction.
  • the electrolyte can be:
  • either a proton-exchange polymer membrane which ensures the transfer of protons from the anode to the cathode and allows the separation of the anode and cathode compartments, which avoids reoxidizing at the anode the reduced species at the cathode and vice versa;
  • Example 1 Preparation of an electro-reduced solution based on M in solution
  • the working electrode is a titanium plate coated with platinum.
  • the counter electrode is a metal alloy based on iron-chromium-nickel.
  • the Ag / AgCI type reference electrode is placed in a salt bridge filled with KCI (3M) and agar-agar, itself placed in a glass piece located between the pump and the inlet of the electrolyser. cathode side.
  • the pumps provide a flow rate between 10 and 20 ml / min.
  • the blue color of the electroreduced solution appears very quickly.
  • the speed of reduction of the HPA solution decreases over time, the current density gradually decreases from -30 mA / cm 2 to -2.4 mA / cm 2 in 1 hour of electrolysis by regularly varying the potential imposed from 400 mV to 300 mV vs Ag / AgCI.
  • the amount of final charge then rises to 1500 ° C. after only 1 hour of electrolysis.
  • the catalytic material C1 (conforming) is prepared by dry impregnation of 10 g of commercial carbon type support (ketjenblack) with 10 ml of electroreduced solution obtained in Example 1.
  • the preparation of the catalyst continues with a maturation step where the impregnated solid is kept under argon for 18 hours before undergoing a final drying step under an inert atmosphere and at reduced pressure (by drawing under vacuum) at 60 ° C. 'oil).
  • the precatalyst is sulfurized under pure H2S at a temperature of 400 ° C. for 2 hours under 0.1 MPa of pressure.
  • the characterization of the catalytic activity of catalytic materials is carried out in a cell with 3 electrodes.
  • This cell is composed of a working electrode, a platinum counter electrode and an Ag / AgCI reference electrode.
  • the electrolyte is an aqueous solution of sulfuric acid (H 2 S0 4 ) at 0.5 mol / L. This medium is deoxygenated by bubbling with nitrogen and the measurements are made under an inert atmosphere (deaeration with nitrogen).
  • the working electrode consists of a 5 mm diameter disc of vitreous carbon set in a Teflon tip (rotating disc electrode). Glassy carbon has the advantage of having no catalytic activity and of being a very good electrical conductor.
  • a catalytic ink is formulated. This ink consists of a binder in the form of a solution of 10 ⁇ L of Nafion® 15% by mass, of a solvent (1 ml of 2-propanol) and of 5 mg of catalyst (C1, C2). The role of the binder is to ensure the cohesion of the particles of the supported catalyst and the adhesion to vitreous carbon.
  • This ink is then placed in an ultrasonic bath for 30 to 60 minutes in order to homogenize the mixture. 12 ⁇ L of the prepared ink is deposited on the working electrode (described above). The ink is then deposited on the working electrode and then dried in order to evaporate the solvent.
  • - linear voltammetry it consists in applying a potential signal to the working electrode which varies over time, ie from 0 to - 0.5 V vs RHE at a speed of 2 mV / s, and measuring the current faradaic response, that is to say the current due to the oxidation-reduction reaction taking place at the working electrode.
  • This method is ideal for determining the catalytic power of a material for a given reaction. It allows, among other things, to determine the overvoltage necessary for the reduction of protons to H 2 .
  • chronopotentiometry it consists of applying a current or a current density for a determined time and measuring the resulting potential. This study makes it possible to determine the catalytic activity at constant current but also the stability of the system over time. It is carried out with a current density of - 10 mA / cm 2 and for a given time.
  • the catalytic performances are collated in Table 1, below. They are expressed in overvoltage at a current density of -10 mA / cm 2 .
  • the catalytic material C1 has performances relatively close to that of platinum vis-à-vis according to the prior art. This result demonstrates the indisputable interest of this material for the development of the hydrogen sector by electrolysis of water.

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Abstract

Procédé de préparation d'un matériau catalytique d'une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau comprenant au moins une phase active à base d'un métal du groupe VIB et un support électro-conducteur, lequel procédé comprend : a) une étape d'électrolyse d'au moins une solution aqueuse et/ou organique comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB pour obtenir une solution comprenant au moins un précurseur comprenant au moins un métal du groupe VIB partiellement réduit; b) une étape d'imprégnation dudit support avec ladite solution obtenue à l'étape a) pour obtenir un précurseur de matériau catalytique; c) une étape de séchage dudit précurseur obtenu à l'étape b) à une température inférieure à 250°C, sans calcination ultérieure; d) une étape de sulfuration du précurseur de matériau catalytique obtenu à l'étape c) à une température comprise entre 100°C et 600°C.

Description

PROCEDE DE PREPARATION D’UN MATERIAU CATALYTIQUE D’ELECTRODE POUR DES REACTIONS DE REDUCTION ELECTROCHIMIQUE PREPARE PAR
ELECTROREDUCTION
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine de l’électrochimie, et plus particulièrement des électrodes apte à être utilisées pour des réactions de réduction électrochimique, notamment pour l’électrolyse de l’eau en milieu électrolytique liquide afin de produire de l’hydrogène.
La présente invention concerne un procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode comprenant une phase active comportant au moins un métal du groupe VI obtenu à partir d’une solution comprenant au moins un élément du groupe VI se présentant sous forme électroréduite.
État de la technique
Au cours des dernières décennies, d’importants efforts en recherche et développement ont été réalisés pour améliorer les technologies permettant la conversion directe en électricité du rayonnement solaire incident par l’effet photovoltaïque, la conversion en électricité de l’énergie des masses d’air en mouvement grâce aux éoliennes ou la conversion en électricité de l’énergie potentielle de l’eau des océans évaporée et condensée en altitude grâce aux procédés hydro-électriques. Du fait de leur caractère intermittent, ces énergies renouvelables gagnent à être valorisées en les combinant à un système de stockage d’énergie pour pallier leur discontinuité. Les possibilités envisagées sont les batteries, l’air comprimé, le barrage réversible ou les vecteurs énergétiques tels que l’hydrogène. Pour ce dernier, l’électrolyse de l’eau est la voie la plus intéressante car elle est un mode de production propre (pas d’émission carbone lorsqu’elle est couplée à une source d’énergie renouvelable) et fournit de l’hydrogène de pureté élevée.
Dans une cellule d’électrolyse de l’eau, la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) se produit à la cathode et la réaction d’évolution de l’oxygène (OER) à l’anode. La réaction globale est :
Des catalyseurs sont nécessaires pour les deux réactions. Différents métaux ont été étudiés comme catalyseurs pour la réaction de production du dihydrogène à la cathode. Aujourd’hui, le platine est le métal le plus utilisé car il présente une surtension (tension nécessaire pour dissocier la molécule d’eau) négligeable comparée à d’autres métaux. Cependant, la rareté et le coût (> 25 k€/kg) de ce métal noble sont des freins au développement économique de la filière hydrogène sur le long terme. C’est la raison pour laquelle, depuis maintenant un certain nombre d’années, les chercheurs s’orientent vers de nouveaux catalyseurs, sans platine, mais à base de métaux peu coûteux et abondants dans la nature.
La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est bien décrite dans l’ouvrage : « Hydrogen Production: Electrolysis », 2015, Ed Agata Godula Jopek. L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau en 02 et H2 gazeux avec l'aide d'un courant électrique. La cellule électrolytique est constituée de deux électrodes — habituellement en métal inerte (dans la zone de potentiel et de pH considérée) comme le platine— immergées dans un électrolyte (ici l'eau elle-même) et connectées aux pôles opposés de la source de courant continu.
Le courant électrique dissocie la molécule d'eau (H20) en ions hydroxyde (HO ) et hydrogène H+ : dans la cellule électrolytique, les ions hydrogène acceptent des électrons à la cathode dans une réaction d'oxydoréduction en formant du dihydrogène gazeux (H2), selon la réaction de réduction :
2H* +2 e® H;
Le détail de la composition et de l'utilisation des catalyseurs pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est largement couvert dans la littérature et on peut citer un article de revue rassemblant les familles de matériaux intéressants en cours de développement depuis ces dix dernières années : " Recent Development in Hydrogen Evolution Reaction Cataiysts and Their Practical Implémentation", 2015, P.C.K Vesborg et al. où les auteurs décrivent les sulfures, les carbures et les phosphures comme potentiels nouveaux électrocatalyseurs. Parmi les phases sulfures, les dichalcogénures tels que le sulfure de molybdène MoS2 sont des matériaux très prometteurs pour la réaction d’évolution de l’hydrogène (HER) en raison de leur activité importante, de leur excellente stabilité et de leur disponibilité, le molybdène et le soufre étant des éléments abondants sur terre et à faible coût.
Les matériaux à base de MoS2 ont une structure lamellaire et peuvent être promus par du Ni ou du Co en vue d’augmenter leur activité électrocatalytique. Les phases actives peuvent être utilisées sous forme massique lorsque la conduction des électrons depuis la cathode est suffisante ou bien à l'état supporté, mettant alors en jeu un support de nature différente.
Dans ce dernier cas, le support doit avoir des propriétés spécifiques : - grande surface spécifique pour promouvoir la dispersion de la phase active ;
- très bonne conductivité électronique ;
- stabilité chimique et électrochimique dans les conditions d’électrolyse de l’eau (milieu acide et potentiel élevé).
Le carbone est le support le plus couramment utilisé dans cette application. Tout l’enjeu réside dans la préparation de cette phase sulfurée sur le matériau conducteur.
Il est admis qu'un catalyseur présentant un fort potentiel catalytique se caractérise par une phase active associée parfaitement dispersée à la surface du support et présentant une teneur en phase active élevée. Notons également que, idéalement, le catalyseur doit présenter une accessibilité des sites actifs vis-à-vis des réactifs, ici l’eau, tout en développant une surface active élevée, ce qui peut conduire à des contraintes spécifiques en termes de structure et de texture, propres au support constitutif desdits catalyseurs.
Les méthodes usuelles conduisant à la formation de la phase active des matériaux catalytiques pour l’électrolyse de l’eau consistent en un dépôt de précurseur(s) comprenant au moins un métal du groupe VIB, et éventuellement au moins un métal du groupe VIII, sur un support par la technique dite d"'imprégnation à sec" ou par la technique dite d’"imprégnation en excès", suivi d’au moins un traitement thermique éventuel pour évacuer l’eau et d’une étape finale de sulfuration génératrice de la phase active, comme mentionnée ci-dessus.
Il apparaît intéressant de trouver des moyens de préparation des catalyseurs pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, permettant d'obtenir de nouveaux catalyseurs à performances améliorées. L'art antérieur montre que les chercheurs se sont tournés vers plusieurs méthodes parmi lesquelles le dépôt de précurseurs de Mo sous forme de sels ou d’oxydes ou d’heptamolybdate d’ammonium suivi d’une étape de sulfuration sous phase gaz ou en présence d’un réducteur chimique
A titre d’exemple, Chen et al. "Recent Development in Hydrogen Evolution Reaction Catalysts and Their Practical Implémentation", 201 1 , proposent de synthétiser un catalyseur MOS2 par sulfuration de Mo03 à différentes températures sous un mélange de gaz H2S/H2 de ratio 10/90. Kibsgaard et al. "Engineering the surface structure of MoS2 to preferentially expose active edge sites for electrocatalysis" , 2012, proposent d’électrodéposer du Mo sur un support Si à partir d’une solution de peroxopolymolybdate puis de réaliser une étape de sulfuration à 200 °C sous un mélange de gaz H2S/H2 de ratio 10/90. Bonde et al. "Hydrogen évolution on nano-particulate transition métal sulfides ", 2009, proposent d’imprégner un support carbone d’une solution aqueuse d’heptamolybdate d'ammonium, de le sécher à l’air à 140 °C puis de réaliser une sulfuration à 450 °C sous un mélange de gaz H2S/H2 de ratio 10/90 durant 4 heures. Benck et al. "Amorphous Molybdenum Sulfide Catalysts for Electrochemical Hydrogen Production: Insights into the Origin of their Catalytic Activity ", 2012, ont synthétisé un catalyseur MoS2 en mélangeant une solution aqueuse d’heptamolybdate d'ammonium avec une solution d’ acide sulfurique puis dans un second temps une solution de sulfure de sodium afin de former des nanoparticules de MoS2.
Signalons également une méthode de préparation consistant en la décomposition d’un sel thiomolybdique grâce à un agent réducteur. Li et al. "MoS2 Nanoparticles Grown on Graphene: An Advanced Catalyst for Hydrogen Evolution Reaction", 201 1 , ont ainsi synthétisé un catalyseur MoS2 sur un support graphène à partir de (NH4)2MoS4, d’une solution de DMF, d’une solution de N2H4·H20.
La Demanderesse a découvert de manière surprenante qu’un procédé de préparation d’un matériau catalytique d’électrode apte à être utilisé pour des réactions de réduction électrochimique, dans lequel on réduit préalablement une solution comprenant au moins un précurseur dudit matériau catalytique comportant au moins un métal du groupe VIB par voie électrochimique permet d’obtenir des performances catalytiques, notamment en terme d’activité, au moins aussi bonnes, voire meilleures que les matériaux catalytiques d’électrode préparés selon l’art antérieur, tout en s’affranchissant de l’introduction de tout agent chimique réducteur supplémentaire et potentiellement délétère à l’activité catalytique.
Objets de l’invention
Un premier objet selon l’invention concerne un procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau comprenant au moins une phase active à base d’un métal du groupe VIB et un support électro-conducteur, lequel procédé comprend au moins les étapes suivantes :
a) une étape d’électrolyse d’au moins une solution aqueuse et/ou organique comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB pour obtenir une solution comprenant au moins un précurseur comprenant au moins un métal du groupe VIB partiellement réduit ;
b) une étape d’imprégnation dudit support avec ladite solution obtenue à l’étape a) pour obtenir un précurseur de matériau catalytique ; c) une étape de séchage dudit précurseur obtenu à l’étape b) à une température inférieure à 250°C, sans calcination ultérieure ;
d) une étape de sulfuration du précurseur de matériau catalytique obtenu à l’étape c) à une température comprise entre 100°C et 600°C.
De préférence, l’étape a) est réalisée dans un électrolyseur comportant au moins deux compartiments électrochimiques séparés par une membrane ou un séparateur poreux et renfermant respectivement l’une l’anode et l’autre la cathode.
De préférence, la densité de courant appliquée à l’étape a) est comprise entre 5 et 500 mA/cm2.
De préférence, ledit précurseur comprenant au moins un métal du groupe VI est choisi parmi les polyoxométallates répondant à la formule (HhXxMmOy)q dans laquelle X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), M est un ou plusieurs métal(aux) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni), le cobalt (Co) et le fer (Fe), O étant l'oxygène, h étant un entier compris entre 0 et 12, x étant un entier compris entre 0 et 4, m étant un entier égal à 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , 12 et 18, y étant un entier compris entre 17 et 72 et q étant un entier compris entre 1 et 20, étant entendu que M n’est pas un atome de nickel ou un atome de cobalt seul.
Dans un mode de réalisation selon l’invention, les m atomes M sont soit uniquement des atomes de molybdène (Mo), soit uniquement des atomes de tungstène (W), soit un mélange d’atomes de molybdène (Mo) et de tungstène (W), soit un mélange d’atomes de molybdène (Mo) et de cobalt (Co), soit un mélange d’atomes de molybdène (Mo) et de nickel (Ni), soit un mélange d’atomes de tungstène (W) et de nickel (Ni).
Dans un mode de réalisation selon l’invention, les m atomes M sont soit un mélange d’atomes de nickel (Ni), de molybdène (Mo) et de tungstène (W), soit un mélange d’atomes de cobalt (Co), de molybdène (Mo) et de tungstène (W).
Dans un mode de réalisation selon l’invention, on introduit au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII, ledit précurseur étant mis en contact avec le support électro-conducteur par imprégnation soit :
i) avant l’étape d’imprégnation b) dudit support avec la solution obtenue à l’étape a), dans une étape dite de pré-imprégnation b1 ) à l’aide d’une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comportant au moins un métal du groupe VIII ; ii) lors de l'étape d'imprégnation b), en co-imprégnation avec ladite solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB partiellement réduit obtenu à l’étape a) ;
iii) après l'étape de séchage c), dans une étape dite de post-imprégnation b2), à l'aide d'une solution contenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII ;
iv) après l'étape c) de sulfuration, dans une étape dite de post-imprégnation b3) à l'aide d'une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII.
De préférence, ledit métal du groupe VIII est choisi parmi le nickel, le cobalt et le fer.
Dans un mode de réalisation selon l’invention, lorsque ledit précurseur du matériau catalytique comprend au moins un métal du groupe VIB et au moins un métal du groupe VIII, la température de sulfuration est comprise entre 350°C et 550°C.
Dans un mode de réalisation selon l’invention, lorsque ledit précurseur du matériau catalytique comprend uniquement qu’au moins un métal du groupe VIB, la température de sulfuration est comprise entre 100°C et 250°C ou entre 400°C et 600°C.
Dans un mode de réalisation selon l’invention, ledit support électro-conducteur comprend au moins un matériau choisi parmi les structures carbonées de type noir de carbone, le graphite, les nanotubes de carbone ou le graphène.
Dans un mode de réalisation selon l’invention, ledit support électro-conducteur comprend au moins un matériau choisi parmi l’or, le cuivre, l’argent, le titane, le silicium.
Un autre objet selon l’invention concerne une électrode caractérisée en ce qu’elle est formulée par un procédé de préparation comprenant les étapes suivantes :
1 ) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère conducteur ionique ;
2) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1 ) au moins un matériau catalytique préparé selon l’invention, sous forme de poudre, pour obtenir un mélange ;
les étapes 1 ) et 2) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;
3) on dépose sur un support ou collecteur conducteur métallique ou de type métallique le mélange obtenu à l’étape 2). Un autre objet selon l’invention concerne un dispositif d’électrolyse comprenant une anode, une cathode, un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au mois de l’anode ou de la cathode est une électrode selon l’invention.
Un autre objet selon l’invention concerne l’utilisation du dispositif d’électrolyse dans des réactions électrochimiques, et plus particulièrement en tant que selon l’invention en tant que :
- dispositif d’électrolyse de l’eau pour la production d’un mélange gazeux d’hydrogène et d’oxygène et/ou la production d’hydrogène seul ;
- dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone pour la production d’acide formique,
- dispositif d’électrolyse de l’azote pour la production d’ammoniac ;
- dispositif de pile à combustible pour la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène.
Description de l’invention
Définitions
Dans la suite, les groupes d'éléments chimiques sont donnés selon la classification CAS (CRC Handbook of Chemistry and Physics, éditeur CRC press, rédacteur en chef D.R. Lide, 81 eme édition, 2000-2001 ). Par exemple, le groupe VIII selon la classification CAS correspond aux métaux des colonnes 8, 9 et 10 selon la nouvelle classification IUPAC.
On entend par surface BET, la surface spécifique déterminée par adsorption d'azote conformément à la norme ASTM D 3663-78 établie à partir de la méthode BRUNAUER - EMMET - TELLER décrite dans le périodique "The journal of the American Chemical Society", 60, 309 (1938).
Par précurseur catalytique comprenant au moins un métal du groupe VI B sous forme partiellement réduite, on entend un précurseur dont au moins un atome de métal du groupe VI B présente une valence inférieure à 6.
Description détaillée
Le procédé de préparation selon l’invention permet de réaliser la réduction préalable d’une solution contenant au moins un précurseur de la phase active du matériau catalytique comprenant au moins un métal du groupe VI B par une voie électrochimique permettant d’obtenir des performances au moins aussi bonnes en terme d’activité, voire améliorées, que les matériaux préparés selon l’art antérieur, tout en s’affranchissant de l’introduction de tout agent chimique réducteur supplémentaire (potentiellement toxique comme l’hydrazine) et/ou potentiellement délétère à l’activité catalytique.
La présente invention concerne un procédé de préparation de matériau catalytique d’électrode pour la réalisation de réaction de réduction électrochimique, et notamment pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, ledit matériau catalytique comprenant au moins un métal du groupe VIB, et éventuellement du groupe VIII, à partir d’une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB électroréduite, qui a subi une électrolyse via un montage électrochimique, permettant de générer une partie des atomes du groupe VIB à une valence inférieure à celle de leur valence normale de VIB, telle qu’elle est dans les molybdates, les tungstates, les polymolybdates et les polytungstates.
Plus particulièrement, le procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau comprenant au moins une phase active à base d’un métal du groupe VIB et un support électro-conducteur, comprend au moins les étapes suivantes :
a) une étape d’électrolyse d’au moins une solution aqueuse et/ou organique comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB pour obtenir une solution comprenant au moins un précurseur comprenant au moins un métal du groupe VIB partiellement réduit ;
b) une étape d’imprégnation dudit support avec ladite solution obtenue à l’étape a) pour obtenir un précurseur de matériau catalytique ;
c) une étape de séchage dudit précurseur obtenu à l’étape b) à une température inférieure à 250°C, sans calcination ultérieure ;
d) une étape de sulfuration du précurseur de matériau catalytique obtenu à l’étape c) à une température comprise entre 100 et 600°C.
Selon l’invention, on entend par calcination tout traitement thermique réalisé à une température supérieure ou égale à 250°C, dans une atmosphère comprenant de l’02.
L’étape a) du procédé de préparation selon l’invention permet de réduire au moins une partie des métaux du groupe VIB à une valence inférieure à +6. Précurseurs comprenant au moins un métal du groupe VIB
Les précurseurs de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB peuvent être choisis parmi tous les précurseurs des éléments du groupe VIB connus de l’Homme de l’Art. Ils peuvent être choisis parmi les polyoxométallates (POM) ou les sels de précurseurs des éléments du groupe VIB, tels que les molybdates, les thiomolybdates, les tungstates ou encore les thiotungstates. Ils peuvent être choisis parmi les précurseurs organiques ou inorganiques, tels que le M0CI5 ou le WCI4 ou le WCI6 ou les alcoxydes de Mo ou de W, par exemple Mo(OEt)5 ou W(OEt)5.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par polyoxométallates (POM) comme étant les composés répondant à la formule (HhXxMmOy)q dans laquelle H est l’hydrogène, X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni), le cobalt (Co) et le fer (Fe), O étant l'oxygène, h étant un entier compris entre 0 et 12, x étant un entier compris entre 0 et 4, m étant un entier égal à 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12 et 18, y étant un entier compris entre 17 et 72 et q étant un entier compris entre 1 et 20.
De préférence, l'élément M ne peut pas être un atome de nickel ou un atome de cobalt seul.
Les polyoxométallates définis selon l'invention englobent deux familles de composés, les isopolyanions et les hétéropolyanions. Ces deux familles de composés sont définies dans l'article Heteropoly and Isopoly Oxométallates, Pope, Ed Springer-Verlag, 1983.
Les isopolyanions qui peuvent être utilisés dans la présente invention sont des polyoxométallates de formule générale (HhXxMmOy)q dans laquelle x = 0, les autres éléments ayant la signification précitée.
De préférence, les m atomes M desdits isopolyanions sont soit uniquement des atomes de molybdène, soit uniquement des atomes de tungstène, soit un mélange d’atomes de molydène et de tungstène, soit un mélange d'atomes de molybdène et de cobalt, soit un mélange d'atomes de molybdène et de nickel, soit un mélange d'atomes de tungstène et de cobalt, soit un mélange d'atomes de tungstène et de nickel.
Les m atomes M desdits isopolyanions peuvent également être soit un mélange d'atomes de nickel, de molybdène et de tungstène soit un mélange d'atomes de cobalt, de molybdène et de tungstène. De préférence, dans le cas où l'élément M est le Molybdène (Mo), m est égal à 7. De même, de préférence, dans le cas où l'élément M est le tungstène (W), m est égal à 12.
Les isopolyanons Mo70246 et H2W120 o6 sont avantageusement utilisés comme précurseurs de phase active dans le cadre de l'invention.
Les hétéropolyanions qui peuvent être utilisés dans la présente invention sont des polyoxométallates de formule (HhXxMmOy)q dans laquelle x = 1 , 2, 3 ou 4, les autres éléments ayant la signification précitée.
Les hétéropolyanions présentent généralement une structure dans laquelle l'élément X est l'atome "central" et l'élément M est un atome métallique pratiquement systématiquement en coordination octaédrique avec X différent de M.
De préférence, les m atomes M sont soit uniquement des atomes de molybdène, soit uniquement des atomes de tungstène, soit un mélange d'atome de molybdène et de cobalt, soit un mélange de molybdène et de nickel, soit un mélange d'atomes de tungstène et de molybdène, soit un mélange d'atome de tungstène et de cobalt, soit un mélange d'atomes de tungstène et de nickel. De manière préférée, les m atomes M sont soit uniquement des atomes de molybdène, soit un mélange d'atome de molybdène et de cobalt, soit un mélange de molybdène et de nickel. De préférence, les m atomes M ne peuvent pas être uniquement des atomes de nickel, ni uniquement des atomes de cobalt.
De préférence, l'élément X est au moins un atome de phosphore ou un atome de Si.
Les hétéropolyanions sont des espèces polyoxométallates chargées négativement. Pour compenser ces charges négatives, il est nécessaire d'introduire des contre-ions et plus particulièrement des cations. Ces cations peuvent avantageusement être des protons H+, ou tout autre cation de type NH4 + ou des cations métalliques et en particulier des cations métalliques de métaux du groupe VIII.
Dans le cas où les contre-ions sont des protons, la structure moléculaire comprenant l'hétéropolyanion et au moins un proton constitue un hétéropolyacide. Les hétéropolyacides qui peuvent être utilisés comme précurseurs de phase active dans la présente invention peuvent être à titre d'exemple l'acide phosphomolybdique (3H+, PMo12O40 3 ) ou encore l'acide phosphotungstique (3H+, PW12O40 3 )·
Dans le cas où les contre-ions ne sont pas des protons, on parle alors de sel d'hétéropolyanion pour désigner cette structure moléculaire. On peut alors avantageusement tirer profit de l'association au sein de la même structure moléculaire, via l'emploi d'un sel d'hétéropolyanion, du métal M et de son promoteur, c'est à dire de l'élément cobalt et/ou de l'élément nickel qui peut soit être en position X au sein de la structure de l'hétéropolyanion, soit en substitution partielle d'au moins un atome M de molybdène et/ou de tungstène au sein de la structure de l'hétéropolyanion, soit en position de contre-ion.
De préférence, les polyoxométallates utilisés selon l'invention, sont les composés répondant à la formule (HhXxMmOy)q dans laquelle H est l’hydrogène, X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni), le cobalt (Co) et le fer (Fe), O étant l'oxygène, h étant un entier compris entre 0 et 6, x étant un entier pouvant être égal à 0, 1 ou 2, m étant un entier égal à 5, 6, 7, 9, 10, 1 1 et 12, y étant un entier compris entre 17 et 48 et q étant un entier compris entre 3 et 12.
De manière plus préférée, les polyoxométallates utilisés selon l'invention, sont les composés répondant à la formule (HhXxMmOy)q dans laquelle h étant un entier égal à 0, 1 , 4 ou 6, x étant un entier égal à 0, 1 ou 2, m étant un entier égal à 5, 6, 10 ou 12, y étant un entier égal à 23, 24, 38, ou 40 et q étant un entier égal à 3, 4, 6 et 7, H, X, M et O ayant la signification précitée.
Les polyoxométallates préférés utilisés selon l'invention sont avantageusement choisis parmi les polyoxométallates de formule PMoi204o3 , HPCoMon04o6 , HPNiMonO40 6 , P2M05O236 , CO2MOIO038H4 6 , COMO6024H6 4 pris seuls ou en mélange.
Des polyoxométallates préférés qui peuvent avantageusement être utilisés dans le procédé selon l'invention sont les hétéropolyanions dits d'Anderson de formule générale XM6024 q pour lesquels le rapport m/x est égal à 6 et dans laquelle les éléments X et M et la charge q ont la signification précitée. L'éléments X est donc un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), et q est un entier compris entre 1 et 20 et de préférence compris entre 3 et 12.
La structure particulière desdits hétéropolyanions dits d'Anderson est décrite dans l'article Nature, 1937, 150, 850. La structure desdits hétéropolyanions dits d'Anderson comprend 7 octaèdres situés dans un même plan et reliés entre eux par les arêtes : sur les 7 octaèdres, 6 octaèdres entourent l'octaèdre central contenant l'élément X. Les hétéropolyanions d'Anderson contenant au sein de leur structure du cobalt et du molybdène ou du nickel et du molybdène sont préférés. Les hétéropolyanions d'Anderson de formule CoMo6024H6 3 et NiMo6024H6 4 sont particulièrement préférés. Conformément à la formule, dans ces hétéropolyanions d'Anderson, les atomes de cobalt et de nickel sont respectivement les hétéroéléments X de la structure.
Dans le cas où l'hétéropolyanion d'Anderson contient au sein de sa structure du cobalt et du molybdène, un mélange des deux formes monomérique de formule CoMo6024H6 3 et dimérique de formule Co2Mo1o038H4 6 dudit hétéropolyanion, les deux formes étant en équilibre, peut avantageusement être utilisé. Dans le cas où l'hétéropolyanion d'Anderson contient au sein de sa structure du cobalt et du molybdène, ledit hétéropolyanion d'Anderson est de manière préférée dimérique de formule Co2Mo1o038H4 6 .
Dans le cas où l'hétéropolyanion d'Anderson contient au sein de sa structure du nickel et du molybdène, un mélange des deux formes monomérique de formule NiMo6024H6 4 et dimérique de formule Ni2Moio038H4 8 dudit hétéropolyanion, les deux formes étant en équilibre, peut avantageusement être utilisé. Dans le cas où l'hétéropolyanion d'Anderson contient au sein de sa structure du nickel et du molybdène, ledit hétéropolyanion d'Anderson est de manière préférée monomérique de formule NiMo6024H6 4 .
Des sels d'hétéropolyanions d'Anderson peuvent également être avantageusement utilisés comme précurseurs de phase active selon l'invention. Lesdits sels d'hétéropolyanion d'Anderson sont avantageusement choisis parmi les sels de cobalt ou de nickel de l'ion monomérique 6-molybdocobaltate respectivement de formule CoMo6024H6 3 , 3/2 Co2+ ou COMO6024H6 3 , 3/2 Ni2+ présentant un rapport atomique dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo de 0,41 , les sels de cobalt ou de nickel de l'ion dimérique decamolybdocobaltate de formule C02M010O38H4 6 , 3 Co2+ ou C02M010O38H4 6 , 3 Ni2+ présentant un rapport atomique dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo de 0,5, les sels de cobalt ou de nickel de l'ion 6- molybdonickellate de formule NiMo6024H6 4 , 2 Co2+ ou NiMo6024H6 4 , 2 Ni2+ présentant un rapport atomique dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo de 0,5, et les sels de cobalt ou de nickel de l'ion dimérique decamolybdonickellate de formule N^Mo-ioOssHU8 , 4 Co2+ ou Ni2Mo10O38H4 8 , 4 Ni2+ présentant un rapport atomique dudit promoteur (Co et/ou Ni)/Mo de 0,6.
Les sels d'hétéropolyanions d'Anderson très préférés utilisés dans l'invention sont choisis parmi les sels d'hétéropolyanions dimériques renfermant du cobalt et du molybdène au sein de leur structure de formule C02M010O38H4 6 , 3 Co2+ et C02M010O38H4 6 , 3 Ni2+. Un sel d'hétéropolyanions d'Anderson encore plus préféré est le sel d'hétéropolyanion d'Anderson dimérique de formule C02M010O38H4 6 , 3 Co2+
D'autres polyoxométallates préférés qui peuvent avantageusement être utilisés dans le procédé selon l'invention sont les hétéropolyanions dits de Keggin de formule générale XM1204oq pour lesquels le rapport m/x est égal à 12 et les hétéropolyanions dits de Keggin lacunaire de formule générale XMn039 q pour lesquels le rapport m/x est égal à 1 1 et dans laquelle les éléments X et M et la charge q ont la signification précitée. X est donc un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni) et le cobalt (Co), et q étant un entier compris entre 1 et 20 et de préférence entre 3 et 12.
Lesdites espèces de Keggin sont avantageusement obtenues pour des gammes de pH variables selon les voies d'obtention décrites dans la publication de A. Griboval, P. Blanchard, E. Payen, M. Fournier, J. L. Dubois, Chem. Lett., 1997, 12, 1259.
Un hétéropolyanion de Keggin préféré, avantageusement utilisé selon l'invention, est l’hétéropolyanion de formule PM012O40 3 ou PW12O40 3 ou SiMoi2O40 4 ou SiW12O40 4 .
L’hétéropolyanion de Keggin préféré peut également être avantageusement utilisé dans l'invention sous sa forme hétéropolyacide de formule PMOI2O40 3 , 3H+ ou PW12O40 3 , 3H+ ou SiMoi2O40 4 , 4H+ ou SiW12O40 4 , 4H+ .
Des sels d'hétéropolyanions de type Keggin ou Keggin lacunaire peuvent également être avantageusement utilisés selon l'invention. Des sels d'hétéropolyanions ou d'hétéropolyacides de type Keggin et Keggin lacunaire préférés sont avantageusement choisis parmi les sels de cobalt ou de nickel des acides phosphomolybdique, silicomolybdique, phosphotungstique ou silicitungstique. Lesdits sels d'hétéropolyanions ou d'hétéropolyacides de type Keggin ou Keggin lacunaire sont décrits dans le brevet US2547380. De préférence, un sel d'hétéropolyanion de type Keggin est le phosphotungstate de nickel de formule 3/2Ni2+ , PW12O40 3 présentant un rapport atomique du métal du groupe VIB sur le métal du groupe VIII, c'est à dire Ni/W de 0, 125.
Un autre polyoxométallate préféré qui peut avantageusement être utilisé comme précurseur mis en œuvre dans le procédé selon l'invention est l'hétéropolyanion de Strandberg de formule HhP2Mo5023 <6 h) , h étant égal à 0, 1 ou 2 et pour lesquels le rapport m/x est égal à 5/2. La préparation desdits hétéropolyanions de Strandberg et en particulier dudit hétéropolyanion de formule HhP2Mo5023 (6 h) est décrite dans l'article de W-C. Cheng, N. P. Luthra, J. Catal., 1988, 109, 163.
Ainsi, grâce à des méthodes de préparation diverses, de nombreux polyoxométallates et leurs sels associés sont disponibles. De manière générale, tous ces polyoxométallates et leurs sels associés peuvent être avantageusement utilisés lors de l’électrolyse mise en œuvre dans le procédé selon l'invention. La liste précédente n'est cependant pas exhaustive et d'autres combinaisons peuvent être envisagées.
Précurseurs comprenant au moins un métal du groupe VIII :
Les éléments du groupe VIII préférés sont des éléments non nobles : ils sont choisis parmi le Ni, le Co et le Fe. De manière préférée, les éléments du groupe VIII sont le Co et le Ni. Le métal du groupe VIII peut être introduit sous la forme de sels, de composés chélatants, d'alcoxydes ou de glycoxydes. Les sources d'éléments du groupe VIII qui peuvent avantageusement être utilisées sous forme de sels, sont bien connues de l'Homme du métier. Ils sont choisis parmi les nitrates, les sulfates, les hydroxydes, les phosphates, les carbonates, les halogénures choisis parmi les chlorures, les bromures et les fluorures.
Ledit précurseur comprenant au moins un métal du groupe VIII est partiellement soluble en phase aqueuse ou en phase organique. Les solvants utilisés sont généralement l’eau, un alcane, un alcool, un éther, une cétone, un composé chloré ou un composé aromatique. L’eau acidifiée, le toluène, le benzène, le dichlorométhane, le tétrahydrofurane, le cyclohexane, le n-hexane, l'éthanol, le méthanol et l'acétone sont utilisés de manière préférée.
Le métal du groupe VIII est introduit de manière préférée, sous la forme d'acétylacétonate ou d'acétate lorsqu’un solvant organique est utilisé, sous la forme de nitrate lorsque le solvant est l’eau et sous la forme d’hydroxydes ou de carbonates ou d’hydroxycarbonates lorsque le solvant est l’eau à pH acide, i.e. inférieur à 7, avantageusement inférieur à 2.
Autres composés
Par ailleurs, tout composé organique ou tout autre élément dopant peut être introduit à n’importe quelle étape mentionnée ci-dessus ou dans une étape additionnelle. En particulier, ledit composé organique est avantageusement déposé par imprégnation, avant l'imprégnation des précurseurs métalliques, en co-imprégnation avec les précurseurs métalliques ou en post-imprégnation après imprégnation des précurseurs métalliques. Ledit composé organique peut être choisi parmi tous les composés organiques connus de l’Homme de l’Art, et est sélectionné en particulier parmi les agents chélatants, les agents non chélatants, les agents réducteurs, les agents non réducteurs. Il peut aussi être choisi parmi les mono-, di- ou polyalcools éventuellement éthérifiés, les acides carboxyliques, les sucres, les mono, di- ou polysaccharides non cycliques tels que le glucose, le fructose, le maltose, le lactose ou le sucrose, les esters, les éthers, les éthers-couronnes, les cyclodextrines et les composés contenant du soufre ou de l'azote comme l'acide nitriloacétique, l'acide ethylènediaminetetraacétique, ou la diéthylenetriamine seuls ou en mélange. Ledit élément dopant peut être choisi parmi les précurseurs de B, de P ou de Si.
Procédé de préparation du matériau catalytique
Etape a)
La méthode d’électrolyse selon l’invention consiste à préparer une solution comprenant au moins un précurseur du matériau catalytique comprenant au moins un métal du groupe VI B sous forme partiellement réduite par l’application d’un courant cathodique visant à maximiser dans cette solution, la quantité de métal de degré VIB réduit à une valence inférieure. Dans la méthode d’électrolyse selon l’invention, un système d’électrolyse compartimenté est utilisé. Il est constitué de deux compartiments électrochimiques distincts séparés par une membrane ou un séparateur. Un système filtre presse, connu de l’homme de métier peut être utilisé. Pour le séparateur, une membrane échangeuse d’ions est préférée, pour garantir une meilleure sélectivité dans le transport des ions et réduire les phénomènes de migration des espèces. Une membrane perfluorosulfonée (telle que les membranes commercialisées sous les noms Nafion® ou Aquivion®) est préférentiellement utilisée.
Il est possible de réaliser l’électrolyse à potentiel contrôlé ou bien à courant contrôlé avec des sécurités en potentiel. Le principe est de maximiser la quantité de précurseur comprenant au moins un métal du groupe VIB réduit. Dans le cas où le potentiel de réduction est contrôlé, notamment à l’aide d’une électrode de référence, on suit l’évolution du courant jusqu’à ce que celui-ci devienne faible, signe que la majeure partie du ou des précurseurs comprenant au moins un métal du groupe VIB sont convertis. Dans le cas où le courant est contrôlé, on limite le potentiel à une certaine valeur pour ne pas engendrer de réaction secondaire importante, telle que la dégradation du solvant. On se réfère dans ce cas au potentiel de la cathode si l’on utilise une électrode de référence, ou en l’absence de référence, à la valeur de tension d’électrolyse globale. La gamme de potentiel de réduction est définie au préalable. Ce potentiel de réduction est déduit des courbes de voltampérométrie dans les conditions similaires à celles de l’électrolyse, à savoir, même matériau d’électrode, mêmes pH et concentration en précurseur de catalyseur comprenant au moins un métal du groupe VI B. Le potentiel cathodique visé pour l’électrolyse est nécessairement supérieur (en valeur absolue) au potentiel de la première vague de réduction observée en voltammétrie cyclique, dépendant de la nature des précurseurs de catalyseur comprenant au moins un métal du groupe VI B, de leur concentration, du solvant, de la nature du matériau d’électrode. Le potentiel est alors choisi entre le potentiel de réduction du précurseur de catalyseur comprenant au moins un métal du groupe VI B et le potentiel de réduction du solvant, de manière à ce que, lorsque l’électrolyse est conduite en mode potensiostatique, le courant résiduel une fois les espèces réduites soit faible (<1/5 du courant initial de réduction des précurseurs de catalyseur comprenant au moins un métal du groupe VIB, préférentiellement <1/10 de ce courant). Ceci permet d’assurer que les réactions secondaires (électrolyse du solvant par exemple) soient minimes et donc que le rendement de réduction des précurseurs de catalyseur comprenant au moins un métal du groupe VIB soit élevé.
La concentration en métal de degré VI dans le catholyte (électrolyte au voisinage de la cathode) est comprise entre 0,1 M et 8 M de métal, et préférentiellement entre 0,8 M et 5 M de métal. Le solvant utilisé pour dissoudre les précurseurs de catalyseur comprenant au moins un métal du groupe VIB est sélectionné parmi l’eau, les alcools, préférentiellement l’éthanol, les solvants polaires de type carbonate d’alkyle (tels que le carbonate de diméthyle, le carbonate de diéthyle, le carbonate de propylène), le DMF, le DMSO, pris seuls ou en mélanges. De manière surprenante, la Demanderesse a observé que la réduction électrochimie des POM dans l’éthanol était préférable à un milieu aqueux car elle ne conduisait à aucun dépôt sur l’électrode.
Notons qu’il n’est pas nécessaire de rajouter de sel support pour l’électrolyse, puisque les polyoxométallates assurent une conductivité ionique suffisante au milieu, pour effectuer l’électrolyse. Il est néanmoins possible (mais non obligatoire) d’incorporer au catholyte un sel de Ni ou de Co de façon à incorporer in situ des ions promoteurs pour la catalyse.
Le matériau constituant la cathode est choisi parmi les métaux (Pt, W, Ni, Au, ou tout autre métal platiné, tel que le titane, l’inox), ou certains carbones tels que le carbone vitreux, ou certains graphites à faible porosité (par exemple les graphites revêtus d’un dépôt de carbone pyrolitique tel le grade Fabmate-BG® de la société Poco-Graphite®). Un métal platiné est par exemple un bon compromis coût / performance. La réaction anodique peut varier, mais on s’assure de la nature des espèces cationiques qui migrent au travers de la membrane et des conséquences que cette migration pourrait avoir sur la spéciation ou la solubilité des précurseurs de catalyseur comprenant au moins un métal du groupe VIB ou encore sur l’activité finale du catalyseur. Typiquement pour les polyoxométallates stables en milieu acide, on préférera une réaction anodique conduisant à un dégagement de protons, ces derniers migrent au travers de la membrane et rejoignent le catholyte pour équilibrer l’électroneutralité.
Une réaction anodique utile pour l’invention est l’oxydation de l’eau. Pour cela l’anolyte est préférentiellement une solution aqueuse d’acide sulfurique.
La gamme de densité de courant utile pour l’invention se situe entre 5 et 500 mA/cm2 et de préférence entre 10 et 200 mA/cm2.
Le solvant utilisé à l'étape a) est aqueux ou organique. Lorsque le solvant est organique et le précurseur comprenant au moins un métal du groupe VIB est un polyoxométallate, il est généralement constitué d’un alcool. Lorsque le précurseur du matériau catalytique comprenant au moins un métal du groupe VIB est un polyoxométallate, l’eau et l’éthanol sont alors utilisés de manière préférée.
Etape b) d’imprégnation
L’étape b) est une étape d’imprégnation dudit support avec ladite solution obtenue à l’étape a). Les imprégnations sont bien connues de l’homme de l’art. La méthode d’imprégnation selon l’invention est choisie parmi l’imprégnation à sec ou l’imprégnation en excès.
De manière préférée, ladite étape b) est réalisée par imprégnation à sec, laquelle consiste à mettre en contact le support électro-conducteur du matériau catalytique avec une solution, contenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB, obtenue à l’issue de l’étape a) du procédé de préparation, et dont le volume de la solution est compris entre 0,25 et 1 ,5 fois le volume du support à imprégner.
Avantageusement, on réalise après l’étape b) d’imprégnation (mais avant l’étape c) de séchage) une étape de maturation destinée à laisser diffuser les espèces à cœur du support. L’étape de maturation est généralement réalisée à une température comprise entre 17 à 50°C et avantageusement en l’absence de dioxygène (02), de préférence entre 30 minutes et 24 h à température ambiante. L'atmosphère doit être de préférence exempte d’02 afin d’éviter de réoxyder les précurseurs préalablement imprégnés. Dans un mode de réalisation particulier selon l’invention, le procédé de préparation du matériau catalytique comprend une étape supplémentaire d’introduction d’au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII. Dans ce mode de réalisation particulier, l’imprégnation dudit précurseur comprenant au moins un métal du groupe VIII avec le support électro-conducteur est réalisé soit :
i) avant l’étape d’imprégnation b) du support avec la solution obtenue à l’étape a), dans une étape dite de pré-imprégnation b1 ) à l’aide d’une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comportant au moins un métal du groupe VIII ;
ii) lors de l'étape d'imprégnation b), en co-imprégnation avec ladite solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VI B partiellement réduit obtenu à l’étape a). Dans ce mode de réalisation particulier, le précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII est introduit dans la solution comprenant au moins un précurseur de la phase active d’au moins un métal du groupe VI B soit avant l’étape a) d’électrolyse soit après l’étape a) d’électrolyse (mais avant l’étape b) d’imprégnation) ;
iii) après l'étape de séchage c), dans une étape dite de post-imprégnation b2), à l'aide d'une solution contenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII. Dans ce mode de réalisation particulier, une seconde étape optionnelle de maturation et une seconde étape de séchage c2) à une température inférieure à 250°C, de préférence inférieure à 180°C, peuvent être réalisées dans les mêmes conditions que les conditions décrites lors des étapes de maturation du précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB et à l’étape de séchage c) décrite ci-après ;
iv) après l'étape d) de sulfuration, dans une étape dite de post-imprégnation b3) à l'aide d'une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII. Dans ce mode de réalisation particulier, on peut réaliser optionnellement une nouvelle étape de maturation, une nouvelle étape de séchage c3) à une température inférieure à 250°C, de préférence inférieure à 180°C et avantageusement une nouvelle étape de sulfuration d3).
Toutes les étapes explicitées aux points i), ii), iii) et iv) sont de préférence réalisées en atmosphère exempte d’02. Etape cl de séchage
Le séchage du précurseur obtenu à l’étape b) est destiné à évacuer le solvant d'imprégnation. L'atmosphère est de préférence exempte d’02 afin d’éviter de réoxyder les précurseurs réduits préalablement imprégnés. La température ne doit pas excéder 250°C, de préférence 180°C, afin de garder intacts lesdits précurseurs déposés à la surface du support. Plus préférentiellement, la température n'excédera pas 120°C. De manière très préférée, le séchage s'effectue sous vide à une température n’excédant pas 60°C. Cette étape peut s’effectuer alternativement par le passage d’un flux gazeux inerte. Le temps de séchage est compris entre 30 min et 16h. De préférence, le temps de séchage n’excède pas 4 heures.
Etape d)
La sulfuration réalisée au cours de l’étape d) est destiné à sulfurer au moins partiellement le métal du groupe VI et éventuellement au moins partiellement le métal du groupe VIII. L'étape d) de sulfuration peut être réalisée avantageusement à l'aide d'un mélange gazeux H2S/H2 ou H2S/N2 contenant au moins 5% volumique d'H2S dans le mélange ou sous flux d’H2S pur à une température comprise entre 100 et 600°C, sous une pression totale égale ou supérieure à 0,1 MPa pendant au moins 2 heures.
De manière préférée, lorsque le précurseur du matériau catalytique comprend au moins un métal du groupe VIII et au moins un métal du groupe VIB, la température de sulfuration est comprise entre 350°C et 550°C.
De manière préférée, lorsque le précurseur du matériau catalytique ne comprend uniquement qu’au moins un métal du groupe VIB, la température de sulfuration est comprise entre 100°C et 250°C ou entre 400°C et 600°C.
Matériau Catalytique
L’activité du matériau catalytique de l’électrode apte à être utilisé pour des réactions de réduction électrochimique, et notamment pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, est assurée par un élément du groupe VIB et par au moins un élément du groupe VIII.
Avantageusement, la fonction active est choisie dans le groupe formé par les combinaisons des éléments nickel-molybdène ou cobalt-molybdène ou nickel-cobalt-molybdène ou nickel- tungstène ou nickel-molybdène-tungstène.
La teneur en molybdène (Mo) est généralement comprise entre 4 et 60% poids en élément Mo par rapport au poids du matériau catalytique final, et de manière préférée entre 7 et 50% poids par rapport au poids du matériau catalytique final, obtenu après la dernière étape de préparation, i.e. après la sulfuration.
La teneur en tungstène (W) est généralement comprise entre 7 et 70% poids en élément W par rapport au poids du matériau catalytique final, et de manière préférée entre 12 et 60% poids par rapport au poids du matériau catalytique final, obtenu après la dernière étape de préparation, i.e. la sulfuration.
La densité surfacique, qui correspond à la quantité d'atomes de molybdène Mo déposés par unité surfacique de support, sera avantageusement comprise entre 0,5 et 20 atomes de [Mo+W] par nanomètre carré de support et de manière préférée entre 1 et 15 atomes de [Mo+W] par nanomètre carré de support.
Les éléments promoteurs du groupe VIII sont avantageusement présents dans le matériau catalytique à une teneur comprise entre 0,1 et 15% poids en élément du groupe VIII, de préférence entre 0,5 et 10% poids par rapport au poids du matériau catalytique final obtenu après la dernière étape de préparation, i.e. la sulfuration. Support
Le support du matériau catalytique est un support comprenant au moins un matériau électro conducteur.
Dans un mode de réalisation selon l’invention, le support du matériau catalytique comprend au moins un matériau choisi parmi les structures carbonées de type noir de carbone, le graphite, les nanotubes de carbone ou le graphène.
Dans un mode de réalisation selon l’invention, le support du matériau catalytique comprend au moins un matériau choisi parmi l’or, le cuivre, l’argent, le titane, le silicium.
Un matériau poreux et non électro-conducteur peut être rendu électro-conducteur en déposant à la surface de celui-ci un matériau électro-conducteur ; citons par exemple un oxyde réfractaire, tel qu’une alumine, au sein de laquelle on dépose du carbone graphitique.
Le support du matériau catalytique présente avantageusement une surface spécifique BET (SS) supérieure à 75 m2/g, de préférence supérieure à 100 m2/g, de manière très préférée supérieure à 130 m2/g. Electrode
Le matériau catalytique susceptible d’être obtenu par le procédé de préparation selon l’invention peut être utilisé en tant que matériau catalytique d’électrode apte à être utilisé pour des réactions électrochimiques, et en particulier pour l’électrolyse de l’eau en milieu électrolytique liquide.
Avantageusement, l’électrode comprend un matériau catalytique obtenu par le procédé de préparation selon l’invention et un liant.
Le liant est de préférence un liant polymère choisi pour ses capacités à être déposé sous forme d’une couche d’épaisseur variable et pour ses capacités de conduction ionique en milieu aqueux et de diffusion des gaz dissous. La couche d’épaisseur variable, avantageusement comprise entre 1 et 500 pm, en particulier de l’ordre de 10 à 100 pm, peut être notamment un gel ou un film.
Avantageusement, le liant polymère conducteur ionique est :
* soit conducteur de groupes anioniques, notamment de groupe hydroxy et est choisi dans le groupe comprenant notamment :
- des polymères stables en milieu aqueux, pouvant être perfluorés, partiellement fluorés ou non fluorés et présentant des groupes cationiques permettant la conduction des anions hydroxydes, lesdits groupes cationiques étant de type ammonium quaternaire, guanidinium, imidazolium, phosphonium, pyridium ou sulfide ;
- le polybenzimidazole non greffé ;
- le chitosane ; et
- les mélanges de polymères comprenant au moins un des différents polymères cités précédemment, ledit mélange possédant des propriétés de conducteur anionique ;
* soit conducteur de groupes cationiques permettant la conduction des protons et est choisi dans le groupe comprenant notamment :
- des polymères stables en milieu aqueux, pouvant être perfluorés, partiellement fluorés ou non fluorés et présentant des groupes anioniques permettant la conduction des protons ;
- le polybenzimidazole greffé ;
- le chitosane ; et - les mélanges de polymères comprenant au moins un des différents polymères cités précédemment, ledit mélange possédant des propriétés de conducteur cationique.
Parmi les polymères stables en milieu aqueux et présentant des groupes cationiques permettant la conduction d'anions, on peut notamment citer des chaînes polymériques de type perfluoré comme par exemple le polytétrafluoroéthylène (PTFE), de type partiellement fluoré, comme par exemple le polyfluorure de vinylidène (PVDF) ou de type non fluoré comme le polyéthylène, qui seront greffées avec des groupements moléculaires conducteurs anioniques.
Parmi les polymères stables en milieu aqueux et présentant des groupes anioniques permettant la conduction des protons, on peut considérer toute chaîne polymérique stable en milieu aqueux contenant des groupements tels que -S03 , -COO , -P03 2 , -P03H , -C6H40\ On peut notamment citer le Nafion®, le polybenzimidazole (PBI) sulfoné phosphoné, le polyétheréthercétone (PEEK) sulfoné ou phosphoné.
Conformément à la présente invention, on pourra utiliser tout mélange comprenant au moins deux polymères dont un au moins est choisi dans les groupes de polymères cités précédemment, pourvu que le mélange final soit conducteur ionique en milieu aqueux. Ainsi on peut citer à titre d'exemple un mélange comprenant un polymère stable en milieu alcalin et présentant des groupes cationiques permettant la conduction des anions hydroxydes avec un polyéthylène non greffé par des groupements moléculaires conducteurs anioniques pourvu que ce mélange final soit conducteur anionique en milieu alcalin. On peut également citer à titre d'exemple un mélange d'un polymère stable en milieu acide ou alcalin et présentant des groupes anioniques ou cationiques permettant la conduction des protons ou des hydroxydes et de polybenzimidazole greffé ou non.
Avantageusement, le polybenzimidazole (PBI) est utilisé dans la présente invention comme liant. Ce n'est intrinsèquement pas un bon conducteur ionique, mais en milieu alcalin ou acide, il se révèle être un excellent polyélectrolyte avec respectivement de très bonnes propriétés de conduction anionique ou cationique. Le PBI est un polymère généralement utilisé, sous forme greffée, dans la fabrication de membranes conductrices protoniques pour les piles à combustible, dans les assemblages membrane-électrode et dans les électrolyseurs type PEM, comme une alternative au Nafion®. Dans ces applications, le PBI est généralement fonctionnalisé/greffé, par exemple par une sulfonation, afin de le rendre conducteur protonique. Le rôle du PBI dans ce type de système est alors différent de celui qu'il a dans la fabrication des électrodes selon la présente invention où il ne sert que de liant et n'a aucun rôle direct dans la réaction électrochimique.
Même si sa stabilité à long terme en milieu acide concentré est limitée, le chitosane, également utilisable comme polymère conducteur anionique ou cationique, est un polysaccharide présentant des propriétés de conduction ionique en milieu basique qui sont similaires à celles du PBI (G. Couture, A. Alaaeddine, F. Boschet, B. Ameduri, Progress in Polymer Science 36 (2011 ) 1521-1557).
Avantageusement, l'électrode selon l'invention est formulée par un procédé qui comprend en outre une étape d'élimination du solvant en même temps ou après l'étape 3). L'élimination du solvant peut être réalisée par toute technique connue de l'homme du métier notamment par évaporation ou inversion de phase.
En cas d'évaporation, le solvant est un solvant organique ou inorganique dont la température d'évaporation est inférieure à la température de décomposition du liant polymère utilisé. On peut citer à titre d'exemples le diméthylsulfoxyde (DMSO) ou l'acide acétique. L'homme du métier est capable de choisir le solvant organique ou inorganique adapté au polymère ou au mélange de polymère utilisé comme liant et susceptible d'être évaporé.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'électrode est apte à être utilisée pour l'électrolyse de l'eau en milieu électrolyte liquide alcalin et le liant polymère est alors un conducteur anionique en milieu électrolyte liquide alcalin, notamment conducteur d'hydroxydes.
Au sens de la présente invention, on entend par milieu électrolyte liquide alcalin, un milieu dont le pH est supérieur à 7, avantageusement supérieur à 10.
Le liant est avantageusement conducteur d'hydroxydes en milieu alcalin. Il est stable chimiquement dans les bains d'électrolyse et a la capacité de diffuser et/ou de transporter les ions OH impliqués dans la réaction électrochimique jusqu'à la surface des particules, sièges des réactions redox de production des gaz H2 et 02. Ainsi, une surface qui ne serait pas en contact direct avec l'électrolyte est quand même impliquée dans la réaction d'électrolyse, point clé de l'efficacité du système. Le liant choisi et la mise en forme de l'électrode n'entravent pas la diffusion des gaz formés et limitent leur adsorption permettant ainsi leur évacuation. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, l'électrode est apte à être utilisée pour l'électrolyse de l'eau en milieu électrolyte liquide acide et le liant polymère est un conducteur cationique en milieu électrolyte liquide acide, notamment conducteur de protons. Au sens de la présente invention, on entend par milieu acide, un milieu dont le pH est inférieur à 7, avantageusement inférieur à 2.
L'homme du métier, à la lumière de ses connaissances générales, sera capable de définir les quantités de chaque composant de l’électrode. La densité de particules de matériau catalytique doit être suffisante pour atteindre leur seuil de percolation électrique.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le rapport massique liant polymère/matériau catalytique est compris entre 5/95 et 95/5, de préférence entre 10/90 et 90/10, et plus préférentiellement compris entre 10/90 et 40/60.
L’électrode peut être préparée selon des techniques bien connues de l’Homme du métier. Plus particulièrement, l’électrode est formulée par un procédé de préparation comprenant les étapes suivantes :
1 ) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère conducteur ionique ;
2) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1 ) au moins un matériau catalytique préparé selon l’invention, sous forme de poudre, pour obtenir un mélange ;
les étapes 1 ) et 2) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;
3) on dépose sur un support ou collecteur conducteur métallique ou de type métallique le mélange obtenu à l’étape 2).
Au sens de l’invention, on entend par poudre de matériau catalytique, une poudre constituée de particules de taille micronique, sub-micronique ou nanométrique. Les poudres peuvent être préparées par des techniques connues de l’homme du métier.
Au sens de l’invention, on entend par support ou collecteur de type métallique tout matériau conducteur ayant les mêmes propriétés de conduction que les métaux, par exemple le graphite ou certains polymères conducteurs tels que la polyaniline et le polythiophène. Ce support peut voir n’importe quelle forme permettant le dépôt du mélange obtenu (entre le liant et le matériau catalytique) par une méthode choisie dans le groupe comprenant notamment le trempage, l’impression, l’induction, le pressage, l’enduction, le dépôt à la tournette (ou « spin-coating » selon la terminologie anglo-saxonne), la filtration, le dépôt sous vide, le dépôt par pulvérisation, le coulage, l’extrusion ou le laminage. Ledit support ou ledit collecteur peut être plein ou ajouré. A titre d'exemple de support, on peut citer une grille (support ajouré), une plaque ou une feuille d'acier inoxydable (304L ou 316L par exemple) (supports pleins). L'avantage du mélange selon l'invention est qu'il peut être déposé sur un collecteur plein ou ajouré, par des techniques usuelles de dépôt facilement accessibles et permettant un dépôt sous formes de couches d'épaisseurs variables idéalement de l'ordre de 10 à 100 pm. Conformément à l'invention, le mélange peut être préparé par toute technique connue de l'homme du métier, notamment par mélange du liant et du au moins un matériau catalytique sous forme de poudre dans un solvant approprié ou un mélange de solvants appropriés pour l'obtention d'un mélange aux propriétés rhéologiques permettant le dépôt des matériaux d'électrode sous forme d'un film d'épaisseur contrôlée sur un substrat conducteur électronique. L'utilisation du matériau catalytique sous forme de poudre permet une maximisation de la surface développée par les électrodes et une exaltation des performances associées. L'homme du métier saura faire les choix des différents paramètres de formulation à la lumière de ses connaissances générales et des caractéristiques physico chimiques des dits mélanges.
Procédés d’utilisation
Un autre objet selon l’invention concerne un dispositif d’électrolyse comprenant une anode, une cathode, un électrolyte, dans lequel au moins l’une de l’anode ou de la cathode est une électrode selon l’invention.
Le dispositif d’électrolyse peut être utilisé en tant que dispositif d’électrolyse de l’eau pour la production d’un mélange gazeux d’hydrogène et d’oxygène et/ou la production d’hydrogène seul comprenant une anode, une cathode et un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de la cathode ou de l’anode est une électrode selon l’invention, de préférence la cathode. Le dispositif d’électrolyse est constitué de deux électrodes (une anode et une cathode, conducteurs électroniques) reliées à un générateur de courant continu, et séparées par un électrolyte (milieu conducteur ionique). L’anode est le siège de l’oxydation de l’eau. La cathode est le siège de la réduction des protons et la formation d’hydrogène.
L’électrolyte peut être :
- soit une solution aqueuse acide (H2S04 ou HCl,...) ou basique (KOH) ;
- soit une membrane polymère échangeuse de protons qui assure le transfert des protons de l’anode à la cathode et permet la séparation des compartiments anodique et cathodique, ce qui évite de réoxyder à l’anode les espèces réduites à la cathode et réciproquement ; - soit une membrane céramique conductrice d’ions 02 . On parle alors d’une électrolyse à oxyde solide (SOEC ou ‘Solid Oxide Electrolyser Cell’ selon la terminologie anglo- saxonne).
L’alimentation minimale en eau d’un dispositif d’électrolyse est de 0,8 l/Nm3 d’hydrogène. En pratique, la valeur réelle est proche de 1 l/Nm3. L’eau introduite doit être la plus pure possible car les impuretés demeurent dans l’équipement et s’accumulent au fil de l’électrolyse, perturbant in fine les réactions électrolytiques par :
- la formation de boues ; et par
- l’action des chlorures sur les électrodes.
Une spécification importante sur l’eau porte sur sa conductivité ionique (qui doit être inférieure à quelques pS/cm).
Il existe de nombreux fournisseurs proposant des technologies très diversifiées, notamment en termes de nature de l’électrolyte et de technologie associée, allant d’un possible couplage amont avec une alimentation électrique renouvelable (photovoltaïque ou éolien), à la fourniture finale directe d’hydrogène sous pression.
La réaction a un potentiel standard de -1 ,23 V, ce qui signifie qu’elle nécessite idéalement une différence de potentiel entre l’anode et la cathode de 1 ,23 V. Une cellule standard fonctionne généralement sous une différence de potentiel de 1 ,5 V et à température ambiante. Certains systèmes peuvent fonctionner à plus haute température. En effet, il a été montré que l'électrolyse sous haute température (HTE) est plus efficace que l'électrolyse de l'eau à température ambiante, d’une part, parce qu’une partie de l'énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par la chaleur (moins chère que l'électricité) et, d’autre part, parce que l'activation de la réaction est plus efficace à haute température. Les systèmes HTE fonctionnent généralement entre 100 °C et 850 °C.
Le dispositif d’électrolyse peut être utilisé en tant que dispositif d’électrolyse de l’azote pour la production d’ammoniac, comprenant une anode, une cathode et un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de la cathode ou de l’anode est une électrode selon l’invention, de préférence la cathode.
Le dispositif d’électrolyse est constitué de deux électrodes (une anode et une cathode, conducteurs électroniques) reliées à un générateur de courant continu, et séparées par un électrolyte (milieu conducteur ionique). L’anode est le siège de l’oxydation de l’eau. La cathode est le siège de la réduction de l’azote et la formation d’ammoniac. L’azote est injecté en continu dans le compartiment cathodique. La réaction de réduction de l’azote est :
N2 + 6H* + 6e- -» 2 N Ha
L’électrolyte peut être :
- soit une solution aqueuse (Na2S04 ou HCL), de préférence saturée en azote ;
- soit une membrane polymère échangeuse de protons qui assure le transfert des protons de l’anode à la cathode et permet la séparation des compartiments anodique et cathodique, ce qui évite de réoxyder à l’anode les espèces réduites à la cathode et réciproquement.
Le dispositif d’électrolyse peut être utilisé en tant que dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone pour la production d’acide formique, comprenant une anode, une cathode et un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de la cathode ou de l’anode est une électrode selon l’invention. Un exemple d’anode et d’électrolyte pouvant être utilisé, dans un tel dispositif est décrit en détail dans le document FR3007427.
Le dispositif d’électrolyse peut être utilisé en tant que dispositif de pile à combustible pour la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène comprenant une anode, une cathode et un électrolyte (liquide ou solide), ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de la cathode ou de l’anode est une électrode selon l’invention.
Le dispositif de pile à combustible est constitué de deux électrodes (une anode et une cathode, conducteurs électroniques) reliées à une charge C pour délivrer le courant électrique produit, et séparées par un électrolyte (milieu conducteur ionique). L’anode est le siège de l’oxydation de l’hydrogène. La cathode est le siège de la réduction de l’oxygène.
L’électrolyte peut être :
- soit une solution aqueuse acide (H2S04 ou HCl,...) ou basique (KOH) ;
- soit une membrane polymère échangeuse de protons qui assure le transfert des protons de l’anode à la cathode et permet la séparation des compartiments anodique et cathodique, ce qui évite de réoxyder à l’anode les espèces réduites à la cathode et réciproquement ;
- soit une membrane céramique conductrice d’ions 02\ On parle alors d’une pile à combustible à oxyde solide (SOFC ou‘Solid Oxide Fuel Ce//’ selon la terminologie anglo- saxonne).
Les exemples suivants illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée. Les exemples ci-dessous portent sur l’électrolyse de l’eau en milieu électrolytique liquide pour la production d’hydrogène. Exemples
Exemple 1 : préparation d’une solution électroréduite à base de M en solution
aqueuse + NyOHUCO^à raison de rNi1=0.6mol/L
30 ml_ de solution d’ H3PM0-12O40 dans l’eau avec [Mo] = 3 mol/L, soit 17,7 g d’HPA additivés de Ni5(0H)6(C03)2 à raison de [Ni]=0,6mol/L sont préparés et placés dans un flacon faisant office de réservoir cathodique, inertés à l’azote. Dans le réservoir anodique, une solution de 50 ml d’acide sulfurique 0,5 M est préparée et inertée à l’azote. La membrane séparant les deux compartiments de l’électrolyseur est une membrane Nafion® renforcée N324.
L’électrode de travail est une plaque en titane revêtue de platine. La contre-électrode est un alliage métallique à base de fer-chrome-nickel. L’électrode de référence de type Ag/AgCI est placée dans un pont salin rempli de KCI (3M) et d’agar-agar, lui-même placé dans une pièce en verre située entre la pompe et l’entrée de l’électrolyseur côté cathode. Les pompes assurent un débit compris entre 10 et 20 ml/min.
Le potentiel imposé à l’électrode de travail est alors fixé de manière à réaliser les trois réductions successives de IΉRA, soit E=400 mV vs Ag/AgCI dans un premier temps puis progressivement jusqu’à 330 mV vs Ag/AgCI, pour accélérer la vitesse de réduction, le but étant de réduire sélectivement le précurseur de molybdène et limiter la réduction du solvant. La coloration bleue de la solution électroréduite apparaît très rapidement.
La vitesse de réduction de la solution d’HPA diminue au cours du temps, la densité de courant diminue progressivement de -30 mA/cm2 à -2,4 mA/cm2 en 1 heure d’électrolyse en faisant varier régulièrement le potentiel imposé de 400 mV à 300 mV vs Ag/AgCI. La quantité de charge finale s’élève alors à 1500 C après seulement 1 heure d’électrolyse.
Exemple 2 : Préparation d’un matériau catalytique C1 à partir de la solution électroréduite de
M en solution aqueuse + raison de
Le matériau catalytique C1 (conforme) est préparé par imprégnation à sec de 10 g de support detype carbone commercial (ketjenblack) avec 10 mL de solution électroréduite obtenue dans l’exemple 1 . La préparation du catalyseur se poursuit par une étape de maturation où le solide imprégné est maintenu sous argon pendant 18 heures avant de subir une dernière étape de séchage sous atmosphère inerte et à pression réduite (en tirant sous vide) à 60 °C (bain d’huile). Le précatalyseur est sulfuré sous H2S pur à une température de 400°C pendant 2 heures sous 0,1 MPa de pression. Sur le catalyseur final, la quantité de Mo correspond à 30% en poids en élément Mo par rapport au poids du matériau catalytique final, et les ratios en Ni et P sont respectivement : Ni/Mo = 0,2 et P/Mo = 0,08.
Exemple 3 : Description du catalyseur commercial au Pt (Catalyseur C2)
Le matériau C2 provient de chez Alfa Aesar® : il comprenant des particules de platine de SBET = 27 m2/g.
Exemple 4 : Test catalytique
La caractérisation de l’activité catalytique des matériaux catalytiques est opérée dans une cellule à 3 électrodes. Cette cellule est composée d’une électrode de travail, d'une contre électrode en platine et d'une électrode de référence Ag/AgCI. L’électrolyte est une solution aqueuse d’acide sulfurique (H2S04) à 0,5 mol/L. Ce milieu est désoxygéné par barbotage à l’azote et les mesures sont faites sous atmosphère inerte (désaération à l’azote).
L’électrode de travail consiste en un disque de 5 mm de diamètre de carbone vitreux sertie dans un embout en Téflon (électrode à disque tournant). Le carbone vitreux a l’avantage de n’avoir aucune activité catalytique et d’être un très bon conducteur électrique. Afin de déposer les matériaux catalytiques (C1 ,C2) sur l’électrode, une encre catalytique est formulée. Cette encre est constituée d’un liant sous la forme d’une solution de 10 pL de Nafion® 15% massique, d’un solvant (1 mL de 2-propanol) et de 5 mg de catalyseur (C1 , C2). Le liant a pour rôle d’assurer la cohésion des particules du catalyseur supporté et l’adhésion au carbone vitreux. Cette encre est ensuite placée dans un bain à ultrasons pendant 30 à 60 minutes afin d’homogénéiser le mélange. 12 pL de l’encre préparée est déposée sur l’électrode de travail (décrite ci-avant). L’encre est ensuite déposée sur l’électrode de travail puis séchée afin d’évaporer le solvant.
Différentes méthodes électrochimiques sont utilisées afin de déterminer les performances des catalyseurs :
- la voltammétrie linéaire : elle consiste à appliquer à l’électrode de travail un signal en potentiel qui varie avec le temps, soit de 0 à - 0,5 V vs RHE à une vitesse de 2 mV/s, et à mesurer le courant faradique de réponse, c’est-à-dire le courant dû à la réaction d’oxydo- réduction ayant lieu au niveau de l’électrode de travail. Cette méthode est idéale pour déterminer le pouvoir catalytique d’un matériau pour une réaction donnée. Elle permet, entre autre, de déterminer la surtension nécessaire pour la réduction des protons en H2. - la chronopotentiométrie : elle consiste, quant à elle, à appliquer un courant ou une densité de courant durant un temps déterminé et à mesurer le potentiel résultant. Cette étude permet de déterminer l’activité catalytique à courant constant mais également la stabilité du système dans le temps. Elle est réalisée avec une densités de courant de - 10 mA/cm2 et durant un temps donné.
Les performances catalytiques sont rassemblées dans le tableau 1 , ci-après. Elles sont exprimées en surtension à une densité de courant de -10 mA/cm2.
Tableau 1
Avec une surtension de seulement - 190 mV vs RHE, le matériau catalytique C1 présente des performances relativement proches de celle du platine vis-à-vis selon l’art antérieur. Ce résultat démontre l’intérêt incontestable de ce matériau pour le développement de la filière hydrogène par électrolyse de l’eau.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau comprenant au moins une phase active à base d’un métal du groupe VIB et un support électro-conducteur, lequel procédé comprend au moins les étapes suivantes :
a) une étape d’électrolyse d’au moins une solution aqueuse et/ou organique comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIB pour obtenir une solution comprenant au moins un précurseur comprenant au moins un métal du groupe VIB partiellement réduit ;
b) une étape d’imprégnation dudit support avec ladite solution obtenue à l’étape a) pour obtenir un précurseur de matériau catalytique ;
c) une étape de séchage dudit précurseur obtenu à l’étape b) à une température inférieure à 250°C, sans calcination ultérieure ;
d) une étape de sulfuration du précurseur de matériau catalytique obtenu à l’étape c) à une température comprise entre 100°C et 600°C.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l’étape a) est réalisé dans un électrolyseur comportant au moins deux compartiments électrochimiques séparés par une membrane ou un séparateur poreux et renfermant respectivement l’une l’anode et l’autre la cathode.
3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, dans lequel la densité de courant appliqué à l’étape a) est comprise entre 5 et 500 mA/cm2.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit précurseur comprenant au moins un métal du groupe VI est choisi parmi les polyoxométallates répondant à la formule (HhXxMmOy)q dans laquelle X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), le nickel (Ni), le cobalt (Co), M est un ou plusieurs métal(aux) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), le nickel (Ni), le cobalt (Co) et le fer (Fe), O étant l'oxygène, h étant un entier compris entre 0 et 12, x étant un entier compris entre 0 et 4, m étant un entier égal à 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1 1 , 12 et 18, y étant un entier compris entre 17 et 72 et q étant un entier compris entre 1 et 20, étant entendu que M n’est pas un atome de nickel ou un atome de cobalt seul.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les m atomes M sont soit uniquement des atomes de molybdène (Mo), soit uniquement des atomes de tungstène (W), soit un mélange d’atomes de molybdène (Mo) et de tungstène (W), soit un mélange d’atomes de molybdène (Mo) et de cobalt (Co), soit un mélange d’atomes de molybdène (Mo) et de nickel (Ni), soit un mélange d’atomes de tungstène (W) et de nickel (Ni).
6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les m atomes M sont soit un mélange d’atomes de nickel (Ni), de molybdène (Mo) et de tungstène (W), soit un mélange d’atomes de cobalt (Co), de molybdène (Mo) et de tungstène (W).
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on introduit au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII, ledit précurseur étant mis en contact avec le support électro-conducteur par imprégnation soit :
i) avant l’étape d’imprégnation b) dudit support avec la solution obtenue à l’étape a), dans une étape dite de pré-imprégnation b1 ) à l’aide d’une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comportant au moins un métal du groupe VIII ; ii) lors de l'étape d'imprégnation b), en co-imprégnation avec ladite solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VI B partiellement réduit obtenu à l’étape a) ;
iii) après l'étape de séchage c), dans une étape dite de post-imprégnation b2), à l'aide d'une solution contenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII ;
iv) après l'étape c) de sulfuration, dans une étape dite de post-imprégnation b3) à l'aide d'une solution comprenant au moins un précurseur de la phase active comprenant au moins un métal du groupe VIII.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ledit métal du groupe VIII est choisi parmi le nickel, le cobalt et le fer.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel lorsque ledit précurseur du matériau catalytique comprend au moins un métal du groupe VIB et au moins un métal du groupe VIII, la température de sulfuration est comprise entre 350°C et 550°C.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel lorsque ledit précurseur du matériau catalytique comprend uniquement qu’au moins un métal du groupe VIB, la température de sulfuration est comprise entre 100°C et 250°C ou entre 400°C et 600°C.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel ledit support électro-conducteur comprend au moins un matériau choisi parmi les structures carbonées de type noir de carbone, le graphite, les nanotubes de carbone ou le graphène.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel ledit support électro-conducteur comprend au moins un matériau choisi parmi l’or, le cuivre, l’argent, le titane, le silicium.
13. Electrode caractérisée en ce qu’elle est formulée par un procédé de préparation comprenant les étapes suivantes :
1 ) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère conducteur ionique ;
2) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1 ) au moins un matériau catalytique préparé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, sous forme de poudre, pour obtenir un mélange ;
les étapes 1 ) et 2) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;
3) on dépose sur un support ou collecteur conducteur métallique ou de type métallique le mélange obtenu à l’étape 2).
14. Dispositif d’électrolyse comprenant une anode, une cathode, un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au mois de l’anode ou de la cathode est une électrode selon la revendication 13.
15. Utilisation du dispositif d’électrolyse selon la revendication 14 dans des réactions électrochimiques.
16. Utilisation selon la revendication 15, dans lequel ledit dispositif est utilisé en tant que :
- dispositif d’électrolyse de l’eau pour la production d’un mélange gazeux d’hydrogène et d’oxygène et/ou la production d’hydrogène seul ;
- dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone pour la production d’acide formique ;
- dispositif d’électrolyse de l’azote pour la production d’ammoniac ;
- dispositif de pile à combustible pour la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230216063A1 (en) * 2020-03-23 2023-07-06 N.E. Chemcat Corporation Electrode catalyst production system and production method
CN113755879B (zh) * 2021-09-06 2023-03-14 无锡隆基氢能科技有限公司 一种δ相氮化钨电极材料及其制备方法和应用
FR3133544B1 (fr) 2022-03-18 2024-03-08 Ifp Energies Now Matériau catalytique à base d’un élément du groupe VIB et d’un élément du groupe IVB pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau
CN117085683A (zh) * 2022-05-13 2023-11-21 天津大学 一种二维钴掺杂碳纳米片催化剂的制备方法和应用
CN114908375B (zh) * 2022-05-25 2024-08-13 中国科学技术大学 电催化co2还原中具有稳定活性位点的铜催化剂及其制备方法与应用
CN115821294B (zh) * 2022-11-17 2025-03-11 河南省高新技术实业有限公司 一种碳材催化电极材料及其制备方法和应用
FR3162052A1 (fr) 2024-05-13 2025-11-14 IFP Energies Nouvelles Procédé de préparation d’une électrode activée électrochimiquement à base de MoS2 fluoré pour des réactions de réduction électrochimique
FR3162008A1 (fr) 2024-05-13 2025-11-14 IFP Energies Nouvelles Procédé de préparation d’une couche active d’électrode à base de MoS2 fluoré pour des réactions de réduction électrochimique
CN119657232B (zh) * 2025-01-01 2025-11-04 南通大学 一种表面羟基化铂镍双金属海水制氢催化剂的制备方法及应用
CN120400894B (zh) * 2025-06-30 2025-10-17 西湖大学 一种电化学催化剂及其制备方法和应用

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2547380A (en) 1945-10-01 1951-04-03 Union Oil Co Catalyst for hydrocarbon conversion
CN102933298B (zh) * 2009-12-16 2016-08-03 Ifp新能源公司 可用于加氢处理的包含viii和vib族金属的催化剂以及使用乙酸和琥珀酸c1-c4二烷基酯的制备方法
JP5802085B2 (ja) * 2011-08-31 2015-10-28 株式会社バンテック アルカリ水電解用電極の製造方法
FR2984763B1 (fr) * 2011-12-22 2013-12-20 IFP Energies Nouvelles Procede de preparation d'un catalyseur utilisable en hydroconversion comprenant au moins une zeolithe nu-86
FR3004968B1 (fr) * 2013-04-30 2016-02-05 IFP Energies Nouvelles Procede de preparation d'un catalyseur a base de tungstene utilisable en hydrotraitement ou en hydrocraquage
FR3004967B1 (fr) * 2013-04-30 2016-12-30 Ifp Energies Now Procede de preparation d'un catalyseur a base de molybdene utilisable en hydrotraitement ou en hydrocraquage
FR3007427B1 (fr) 2013-06-20 2016-07-01 Ifp Energies Now Couche active a base de particules metalliques sur support conducteur poreux, methode de fabrication et utilisation en tant que cathode pour l'electroreduction de dioxyde de carbone.
CN106917105B (zh) * 2017-01-13 2019-05-31 太原理工大学 一种水分解用自支撑过渡金属硫化物泡沫电极的制备方法
WO2019016852A1 (fr) * 2017-07-18 2019-01-24 国立大学法人弘前大学 Procédé de production de catalyseur d'électrode et procédé de production d'hydrogène
KR101894964B1 (ko) * 2017-08-08 2018-09-05 한국과학기술원 그래핀 액정섬유-전이금속계 촉매 섬유복합체 및 이의 제조방법
FR3075664A1 (fr) * 2017-12-22 2019-06-28 IFP Energies Nouvelles Catalyseur d'hydrotraitement et/ou d'hydrocraquage prepare par electroreduction
CN108855146B (zh) * 2018-06-27 2020-05-05 北京师范大学 NiFeMoS复合体及其制备方法

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