FR3162008A1 - Procédé de préparation d’une couche active d’électrode à base de MoS2 fluoré pour des réactions de réduction électrochimique - Google Patents

Abstract

Procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau catalytique comprenant une phase active à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor. Ledit procédé consiste en la mise en contact d’un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré avec un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 et 0,2 MPa, une P.P.H comprise entre 0,01 et 200 h-1.

Description

Procédé de préparation d’une couche active d’électrode à base de MoS2fluoré pour des réactions de réduction électrochimique

La présente invention concerne le domaine des électrodes aptes à être utilisées pour des réactions de réduction électrochimique, en particulier pour l’électrolyse de l’eau afin de produire de l’hydrogène.

Etat de la technique

Pour atteindre les objectifs de la transition énergétique, les industriels s’intéressent aujourd’hui à la production et à l’utilisation de l’hydrogène (ou dihydrogène H₂) bas-carbone et renouvelable. Utilisé à ce jour essentiellement dans la chimie ou le raffinage, ce vecteur d’énergie pourrait contribuer à décarboner certains secteurs industriels, assurer le stockage de l’électricité ou alimenter le secteur des transports.

Différentes techniques de production existent :

• le reformage du gaz naturel à la vapeur d'eau est la technique la plus répandue. Il s’agit de faire réagir du méthane avec de l’eau pour obtenir un mélange contenant de l’hydrogène et du CO₂.
• la gazéification permet de produire, par combustion, un mélange de CO et d’H₂à partir de charbon ou de biomasse. Le CO₂émis dans les deux cas précédents pourrait éventuellement être capté et stocké ou valorisé.
• l’hydrogène peut aussi être produit à partir d’eau et d’électricité, c’est l’électrolyse de l'eau. C’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, mais elle reste encore coûteuse (2 à 3 fois plus chère que le reformage du gaz naturel).

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 :

[Chem 1]

H₂O → H₂+1/2 O₂

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 et ceux-ci diffèrent selon la technologie et donc les conditions physicochimiques dans lesquels vont travailler les catalyseurs. Aujourd’hui, le platine est le métal le plus utilisé dans les électrolyseurs membranaires en particulier en milieu acide dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (ou Proton Exchange Membrane, PEM en anglais). Il présente une surtension (tension nécessaire pour produire une molécule de H₂à partir de 2 H⁺) négligeable comparée à d’autres métaux. Cependant, la rareté, le coût (> 25 k€/kg) et la concurrence d’utilisation (pile à combustible, catalyse…) 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 O₂et H₂gazeux 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 et connectées aux pôles opposés de la source de courant continu.

Le courant électrique dissocie la molécule d’eau à l’anode en suivant la réaction d’oxydation :

[Chem 2]

H₂O(l) → 1/2 O₂(g) + 2 H+ (aq)+ 2e⁻

On parle aussi de réaction OER (Oxygen Evolution Reaction).

Ensuite, les protons H⁺migrent vers la cathode à travers la membrane sous l’effet du champ électrique et du gradient de concentration où ils sont réduits en hydrogène moléculaire (avec les électrons provenant du pôle négatif du générateur), d’où le nom de cette technologie d’électrolyseurs « membrane échangeuse de proton ».

De ce fait à la cathode, les protons H⁺acceptent des électrons en formant de l’hydrogène gazeux (H₂), selon la réaction de réduction :

[Chem 3]

2H⁺+ 2 e^-→ H₂

On parle aussi de réaction HER (Hydrogen Evolution Reaction).

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 : P.C.K Vesborg et al. "Recent Development in Hydrogen Evolution Reaction Catalysts and Their Practical Implementation", 2015, 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 MoS₂sont 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. Ils sont particulièrement bien décrits dans l’article de revue consacré aux MoS₂pour une application en HER : « Improving intrinsic electrocatalytic activity of layered transition metal chalcogenides as electrocatalysts for water splitting » A. P. Tiwari, K. Kim and S. Jeon, dans Current Opinion in Electrochemistry, 2022, 34,100982.

Les matériaux à base de MoS₂ont une structure lamellaire. 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 les protons, 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’amélioration des performances électrocatalytiques des électrocatalyseurs composés de MoS₂peut être décrite par les deux principes proposés par Li Xin Chen et al.« Design of Dual-Modified MoS ₂ with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction », 2018, à savoir l’augmentation du nombre de sites actifs ou de l’activité intrinsèque de ces derniers.

Concernant l’augmentation du nombre de sites actifs, on pourra citer les structures nanoporeuses, les hétérostructures et les morphologies 3D, 2D ou 1D tels que les nanofleurs, nanofeuillets ou nanotubes (Cf article de D. Vory et al., «Conducting MoS2 Nanosheets as Catalysts for Hydrogen Evolution », 2013). La création de nouveaux sites actifs grâce au dopage et/ou la création de lacune de soufre éventuellement comblées par des atomes de Mo, notamment sur le plan basal, comme décrit dans les articles de N. Abidi et al.« Revisiting the Active Sites at the MoS ₂ /H ₂ O Interface via Grand-Canonical DFT: The Role of Water Dissociation», 2020et «How to dope the basal plane of 2H-MoS ₂ to boost the hydrogen evolution reaction? », 2023 .

Concernant l’augmentation de l’activité intrinsèque des sites actifs, de nombreuses stratégies sont également envisageables, parmi lesquelles :

- L’intégration de nanomatériaux conducteurs tels que le graphène ou les métaux nanoporeux, décrit dans l’article de J Joyner« Graphene Supported MoS ₂ Structures with High Defect Density for an Efficient HER Electrocatalysts», 2020.

- Le renforcement de l’activité intrinsèque des bords via le dopage par du nickel nanoporeux par exemple comme décrit dans l’article de L. X. Chenet al. ,«Design of Dual-Modified MoS ₂ with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction», 2018.

La fluoration est un procédé chimique permettant de doper un matériau par des atomes de fluor. En effet, le fluor constitue un élément à part dans la classification périodique car il possède l’électronégativité la plus élevée, une faible taille et une stabilité importante. Toutefois, les procédés de fluoration sont encore peu utilisés pour modifier les structures lamellaires de type MoS₂et notamment pour une application en électrolyse de l’eau.

Pourtant, l’atome de fluor étant très électronégatif, il peut induire une modification significative de la structure électronique du MoS₂. De plus, l’énergie de substitution du soufre par le fluor étant négative, il est donc aisé de remplacer les atomes de soufre par des atomes de fluor au sein de la structure MoS₂(cf. article de R. Zhang, et al. ,«Creating Fluorine-Doped MoS ₂ Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity», 2021).

La réaction des atomes de fluor avec le matériau peut également engendrer la création d’un nouveau matériau contenant du fluor (fluorures, oxyfluorures, etc…) et/ou la conversion du matériau en un nouveau présentant des lacunes car certains atomes se recombinent avec des atomes de fluor pour générer des composés volatils. Dans le cas du MoS₂, la fluoration peut consommer les atomes de Mo et de S pour former MoF₆(g) et SF₆(g), ce qui peut créer des porosités et augmenter ainsi la surface spécifique de celui-ci. La fluoration est donc à la fois une méthode de dopage permettant de créer des nouveaux sites actifs sur les plans de bord, mais aussi de modifier la morphologie du matériau.

On trouve plusieurs types de procédés de fluoration dans l’art antérieur pour fluorer les matériaux catalytiques. Copetti Gabreila et E. H. Nunes, «Tuning MoS ₂ reactivity toward halogenation », 2019, divulgue une fluoration par exposition à un agent fluorant du type XeF₂qui libère du fluor par décomposition.

G. Venkateswarlu, et al. “Electroanalytical characterization of F-doped MoS ₂ cathode material for rechargeable magnesium battery”, 2019, D. Gao, et al.«Tunable Ferromagnetic Ordering in MoS ₂ nanosheets with Fluorine Adsorption»2015, et Y. Wang, et al. «Fluorine- and Nitrogen-Codoped MoS ₂ with a Catalytically Active Basal Plane», 2017, divulguent une fluoration par voie hydrothermale consistant à dissoudre du MoS₂dans une solution d’espèce fluorée aqueuse tels que HBF₄(aq)ou NH₄F(aq) puis à réaliser un traitement thermique en bombe hydrothermale.

Enfin, S.-S. Chee et al.«Substitutional Fluorine Doping of Large-Area Molybdenum Disulfide Monolayer Films for Flexible Inverter Device Arrays», 2020 et R. Zhang et al.«Creating Fluorine-Doped MoS ₂ Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity», 2021 divulguent un procédé de fluoration par exposition sous plasma en présence d’une espèce fluorée tels que SF₆ou CHF₃.

L’art antérieur cité précédemment montre clairement un effet bénéfique de la fluoration sur les performances électrocatalytiques de MoS₂en HER acide. Toutefois, l’art antérieur ne divulgue pas de procédé de préparation de matériau MoS₂par fluoration directe par le difluor F₂sous forme gazeuse (appelé aussi ici indifféremment difluor, ou F₂ou encore F₂(g)). Or, l’utilisation du difluor offre une grande efficacité de fluoration compte tenu de la très forte réactivité du F₂(g) (l’énergie de dissociation du fluor moléculaire est relativement faible (153 kJ.mol^-1) ce qui lui confère une réactivité exceptionnelle, et aux grandes quantités de fluor potentiellement engageables qui vont modifier la morphologie et la structure du MoS₂.

La fluoration directe est définie comme un phénomène de diffusion contrôlée où seule l’extrême surface du matériau est atteinte. Il permet d’envisager la modification des propriétés de surface d’un matériau sans que ses propriétés intrinsèques ne soient changées si la fluoration est parfaitement contrôlée.

L’épaisseur de la couche fluorée formée et sa nature chimique ont une importance primordiale dans l’efficacité du traitement par rapport aux propriétés. Ces caractéristiques vont dépendre de la nature du matériau utilisé, de sa composition chimique et sa cristallinité, mais aussi des conditions de synthèses appliquées. Cependant, des limites apparaissent lors de la fluoration dans des conditions trop drastiques. Un large excès de fluor dans le réacteur peut mener à une dégradation du matériau catalytique. Le contrôle des conditions opératoires du procédé de fluoration directe par F₂(g) est par conséquent primordiale.

Objet de l’invention

La Demanderesse a mis au point un nouveau procédé de préparation d’un matériau catalytique permettant d’obtenir une électrode utilisable dans une cellule électrolytique pour la réalisation de réaction de réduction électrochimique, et plus particulièrement permettant d’obtenir une cathode utilisable dans une cellule électrolytique pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau en milieu acide. En effet, la Demanderesse a découvert que la fluoration directe par du difluor d’un matériau à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré permet d’obtenir des performances catalytiques au moins aussi bonnes, voire meilleures, notamment lorsque ce dernier est utilisé en tant que phase catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, et cela encore plus particulièrement lorsque le matériau catalytique est utilisé en tant que phase catalytique d’une cathode pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau en milieu acide.

Ce procédé de fluoration spécifique d’un matériau à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré repose sur une fluoration directe à l’aide du gaz difluor dans des conditions opératoires particulières et contrôlées.

La présente invention a pour premier objet un procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau catalytique comprenant une phase active à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :

a) on approvisionne un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré ;

b) on réalise une étape de fluoration du matériau solide approvisionné à l’étape a) en présence d’un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 et 0,2 MPa, une P.P.H comprise entre 0,01 et 200 h^-1, pour obtenir ledit matériau catalytique.

De préférence la concentration en difluor dans le gaz utilisé à l’étape b) est comprise entre 1% et 50% volume par rapport au volume total dudit gaz de fluoration.

Avantageusement, la durée de l’étape b) est comprise entre 1minute et 60 minutes.

Avantageusement, la durée de l’étape b) est comprise entre 1minute et 20 minutes.

De préférence, le gaz utilisé dans l’étape b) comprend un gaz inerte choisi parmi le diazote (N₂), l’argon (Ar), l’hélium (He).

De préférence, à l’étape a) ledit métal du groupe VIB est choisi parmi le molybdène ou le tungstène.

Avantageusement, lequel ledit métal du groupe VIB est le molybdène.

De préférence, le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré approvisionné à l’étape a) est sous forme massive ou supporté sur un support électro-conducteur.

Avantageusement, le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré approvisionné à l’étape a) est supporté sur un support électro-conducteur.

Avantageusement, le support électro-conducteur est du carbone.

Un autre objet de l’invention concerne un procédé de préparation d’une électrode comprenant les étapes suivantes :

1) on prépare une encre en réalisant les sous étapes suivantes :

1a) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère de type conducteur ionique ;

1b) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1a) au moins un matériau catalytique préparé selon l’invention sous forme de poudre ;

les étapes 1a), 1b) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;

2) on dépose l’encre obtenue à l’étape 1) sur une membrane, ou un collecteur conducteur électronique.

De préférence, on ajoute à l’étape 1) un support électro-conducteur dans l’encre.

Un autre objet de l’invention concerne un dispositif d’électrolyse comprenant une anode, une cathode, un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de l’anode ou de la cathode est une électrode préparée selon l’invention.

Un autre objet de l’invention concerne l’utilisation du dispositif d’électrolyse selon l’invention dans des réactions électrochimiques.

De préférence, 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 de l’azote pour la production d’ammoniac ;

- dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone pour la production d’acide formique, de CO et d’éthylène ;

- dispositif de pile à combustible pour la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène.

Description détaillée 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^èmeédition, 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).

Electrode

Une électrode est la couche qui contient le matériau catalytique qui est le lieu des réactions électrochimiques

Collecteur de courant

Un collecteur de courant est une couche qui permet le transport des électrons depuis ou vers les électrodes. Il peut être dense comme du carbone vitreux dans un montage à trois électrodes ou poreux comme la PTL (Porous Transport Layer selon la terminologie anglo-saxonne) ou la plaque bipolaire permettant le transport des fluides dans un électrolyseur.

Encre

Une encre est un mélange de poudre de matière active ici à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor, un agent conducteur, un agent liant, et un solvant qui entre dans la formulation d’une électrode. Cette « encre » est ensuite déposée sur le collecteur de courant ou sur la membrane côté cathode puis séchée, ce qui permet, après assemblage, d’obtenir l’électrode qui est positionnée entre le collecteur de courant et la membrane

P.P.H.

Par vitesse massique horaire (P.P.H), on entend le débit massique de la charge gazeuse en entrée de réacteur en kg/h divisé par la masse de catalyseur en kg contenu dans le réacteur.

La teneur en métal du groupe VIB est mesurée par fluorescence X et est donnée en pourcentage poids par rapport à la masse totale du matériau catalytique.

Les ratios atomiques Fluor/élément du groupe VIB sont déterminés par Spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et par Spectrométrie photoélectronique (XPS).

Dans la présente demande, les concentrations en difluor dans la phase gazeuse sont données en pourcentage % volumique en difluor par rapport au volume total de gaz.

Procédé de préparation du matériau catalytique

L’invention concerne un procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau catalytique comprenant une phase active à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :

1. on approvisionne un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré ;
2. on réalise une étape de fluoration du matériau solide approvisionné à l’étape a) en présence d’un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 et 0,2 MPa, une P.P.H comprise entre 0,01 et 200 h^-1, pour obtenir ledit matériau catalytique.

Les étapes a) et b) sont décrites en détail ci-après.

Etape a)

On approvisionne un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré. De préférence, le matériau solide est à base de molybdène et/ou de tungstène sulfuré et de manière préférée, le matériau solide est à base de molybdène.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, ledit matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré est dopé par un élément dopant choisi parmi le bore, le phosphore et le silicium, le nickel, le cobalt ou le fer, le titane, le zirconium, ou l’hafnium ou additivé avec des composés organiques tel que décrit dans la demande de brevet WO2020/109065.

Le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré peut être utilisé 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. De préférence, le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré est supporté sur un support.

Ledit support comprend au moins un matériau électro-conducteur.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ledit support comprend au moins un matériau électro-conducteur choisi parmi les structures carbonées de type noir de carbone, le graphite, les nanotubes de carbone ou le graphène.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ledit support comprend au moins un matériau électro-conducteur choisi parmi l’or, le cuivre, l’argent, le titane, le silicium, le dioxyde d'étain dopé au fluor, et l’oxyde d'indium et d'étain.

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.

Le support du matériau peut être ajouté au cours de la préparation du matériau catalytique et/ou au cours de la préparation de l’électrode.

Le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré peut provenir d’une source commerciale ou préparé par des procédés connus de l’art antérieur.

Lorsque le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré est supporté sur un support, le dépôt sur un support dudit matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB est réalisé selon les sous-étapes suivantes :

a1) une étape de mise en contact dudit support par au moins une solution contenant au moins un précurseur d’au moins un métal du groupe VIB;

a2) optionnellement, une étape de mise en contact du support avec au moins une solution contenant au moins un précurseur d’un dopant ;

les étapes a1) et a2), si toutes deux réalisées, étant réalisées dans un ordre indifférent ou simultanément et permettent d’obtenir le matériau solide imprégné supporté humide ;

a3) une étape de traitement thermique du matériau solide imprégné supporté humide obtenu à l’issu des étapes a1) et optionnellement a2) pour obtenir un matériau solide séché,

a4) une étape de sulfuration du matériau solide séché obtenu à l’issue de l’étape a3) pour obtenir ledit matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré supporté.

Avantageusement, l’étape de mise en contact du support avec au moins un précurseur d’au moins un métal du groupe VIB, conformément à la mise en œuvre de l’étape a1), peut être réalisée par imprégnation, à sec ou en excès, ou encore par dépôt – précipitation, selon des méthodes bien connues de l'Homme du métier. De manière préférée, ladite étape a1) est réalisée par imprégnation à sec, laquelle consiste à mettre en contact le support avec une solution, contenant au moins un précurseur d’au moins un métal du groupe VIB dont le volume de la solution est compris entre 0,25 et 1,5 fois le volume poreux du support à imprégner.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, ledit précurseur d’au moins un métal du groupe VIB, ajouté à l’étape a1) est choisi parmi :

-les polyoxométallates répondant à la formule (H_hX_xM_mO_y)^q-dans laquelle H est l’hydrogène, X est un élément choisi parmi le phosphore (P), le silicium (Si), le bore (B), ledit élément étant pris seul, M est un ou plusieurs élément(s) choisi(s) parmi le molybdène (Mo), le tungstène (W), 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 ou 18, y étant un entier compris entre 17 et 72 et q étant un entier compris entre 1 et 20 ;

-les sels de précurseurs des éléments du groupe VIB ; et

-les précurseurs organiques ou inorganiques à base de Mo ou de W.

Le précurseur d'un élément dopant utilisé dans l’étape optionnelle a2) est choisi parmi le bore, le phosphore et le silicium, le nickel, le cobalt ou le fer, le titane, le zirconium, ou l’hafnium.

Avantageusement, des additifs organiques sont introduits dans la solution d'imprégnation au cours de l’étape a1) ou a2) tel que décrit dans la demande WO2020/109065.

L’étape a3) de traitement thermique est effectué à une température inférieure à 250°C, de préférence inférieure à 180°C, plus préférentiellement inférieure à 120°C. De manière très préférée, le séchage s’effectue à pression réduite à une température n’excédant pas 80°C. Le temps de séchage est compris entre 30 minutes et 24 heures, de préférence entre 30 minutes et 16 heures. De préférence, le temps de séchage n’excède pas 4 heures.

L’étape de séchage peut être effectuée par toute technique connue de l’Homme du métier. Elle est avantageusement effectuée sous une atmosphère inerte ou sous une atmosphère contenant de l’oxygène. Elle est avantageusement effectuée à pression atmosphérique ou à pression réduite.

L’étape a4) de sulfuration est destinée à sulfurer au moins partiellement le métal du groupe VIB. Elle peut être réalisée avantageusement à l'aide d'un mélange gazeux H₂S/H₂ou H₂S/N₂contenant au moins 5% volumique d'H₂S dans le mélange ou sous flux d’H₂S pur à une température comprise entre 100°C et 600°C, sous une pression totale égale ou supérieure à 0,1 MPa pendant au moins 2 heures.

Le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré peut également être préparé, tel que décrit dans le brevet FR3089134.

Etape b)

L’étape b) de fluoration du matériau solide approvisionné à l’étape a) consiste en la mise en contact dudit matériau solide en présence d’un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 % et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 MPa et 0,2 MPa, une V.V.H comprise entre 0,01 et 200 h^-1, pour obtenir ledit matériau catalytique.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la température de fluoration est comprise entre 0°C et 40°C, et de préférence entre 0 °C et 25°C.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la durée de fluoration est comprise entre 1 minute et 60 minutes, et de préférence entre 1 minute et 20 minutes.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la concentration en difluor dans le gaz est comprise entre 1% et 50%, de préférence entre 1 et 10%.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le difluor est dilué dans un gaz inerte choisi parmi le diazote, l’hélium, ou l’argon.

Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la mise en contact du matériau solide avec le gaz comprenant au moins du difluor est réalisée selon les mises en œuvre connue de l’Homme du métier. Sans que cela soit exhaustif, on citera les mises en œuvre en réacteur à lit traversé en écoulement ascendant ou descendant, en lit léché, ou en lit fluidisé. L’Homme du métier veillera à purger l’atmosphère au sein du réacteur par un gaz inerte, que ce soit avant la réaction pour éliminer les traces d’humidité et d’oxygène résiduel, ou après, pour éliminer les molécules de fluor moléculaire n’ayant pas réagi. L’étape de purge préalable à chaque fluoration est importante puisqu’elle permet d’éliminer toutes les traces d’humidité potentielles. En effet, le fluor moléculaire F₂se combine facilement avec l’humidité résiduelle au sein du réacteur pour former de l’acide fluorhydrique (HF). Le contrôle des conditions de fluoration est primordial afin d’éviter d’augmenter de façon aléatoire la cinétique de la réaction de l’échantillon et d’atteindre une inhomogénéité à la surface des matériaux traités lors de l’introduction du mélange gazeux fluoré réactionnel dans le réacteur. En effet, l’acide fluorhydrique généré peut catalyser la réaction et induire des inhomogénéités à la surface des matériaux traités.

Matériau catalytique

Le matériau obtenu présente des ratios atomiques F/Mo compris entre 0,01 et 200. De manière préférée, le ratio F/Mo est compris entre 0,05 et 1 et de manière très préférée entre 0,1 et 1.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le matériau catalytique est massif. Dans ce mode de réalisation, la teneur en métal du groupe VIB dans le matériau catalytique obtenu à l’issu de l’étape de fluoration b) est de 100% poids en élément métallique par rapport au poids du matériau catalytique.

Dans un autre mode de réalisation particulier de l’invention, le matériau catalytique est supporté sur un support électro-conducteur. Dans ce mode de réalisation, la teneur en métal du groupe VIB dans le matériau catalytique obtenu à l’issu de l’étape de fluoration b) est comprise entre 4 et 60% poids en élément métallique par rapport au poids du matériau catalytique final, et de manière préférée entre 7 et 50% poids par rapport au poids du matériau catalytique. De plus la densité surfacique qui correspond à la quantité d'atomes de métal du groupe VIB déposés par unité surfacique de support sera avantageusement comprise entre 0,5 et 20 atomes d’élément métallique par nanomètres carré de support et de manière préférée entre 2 et 15 atomes d’élément métallique par nanomètres carré de support.

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 électrolyseur membranaire (PEM « proton exchange membrane » ou AEM « anion exchange membrane »).

Avantageusement, l’électrode comprend un matériau catalytique obtenu par le procédé de préparation selon l’invention, un support électro-conducteur et un liant. Ce mélange est obtenu après dépôt de « l’encre » et le séchage.

Le procédé de préparation de l’électrode est décrit ci-après.

Procédé de préparation de l’électrode

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 prépare une encre en réalisant les sous étapes suivantes ;

1a) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère de type conducteur ionique ;

1b) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1a) au moins un matériau catalytique préparé selon l’invention, sous forme de poudre ;

les étapes 1a), 1b) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;

2) on dépose l’encre obtenue à l’étape 1) sur une membrane, ou un collecteur conducteur électronique.

L’électrode obtenue à la suite des étapes 1) et 2) est ensuite séchée soit à l’air libre soit sous atmosphère contrôlé (typiquement sous azote ou argon) à une température comprise entre 5°C et 100°C, préférentiellement entre 15°C et 60°C et à une pression comprise entre 0,0001MPa et 0,1MPa.

Etape 1) préparation de l’encre

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 µm, en particulier de l’ordre de 10 à 100 µm, 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 -SO₃ ^-, -COO^-, -PO₃ ^2-, -PO₃H^-, -C₆H₄O^-. On peut notamment citer le Nafion®, le polybenzimidazole (PBI) sulfoné phosphoné, le polyétheréthercétone (PEEK) sulfoné ou phosphoné.

Conformément à la présente invention, on peut 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 de séchage. 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 électrolyseur AEM et le liant polymère est alors un conducteur anionique en milieu électrolyte alcalin, notamment conducteur d'hydroxydes.

Au sens de la présente invention, on entend par milieu électrolyte 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 H₂et O₂. 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 dans un électrolyseur PEM et le liant polymère est un conducteur cationique en milieu électrolyte 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.

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.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, on ajoute à l’étape 1) un support électro-conducteur dans l’encre. Au sens de l’invention, on entend par support électro-conducteur un agent conducteur, qui permet d’assurer un contact électronique entre les particules du matériau catalytique et avec le collecteur de courant et/ou la membrane. Le plus souvent il s’agit de nanoparticules qui présentent une très grande surface développée. Le support électro-conducteur comprenant au moins un matériau choisi parmi les structures carbonées de type noir de carbone, le graphite, les nanotubes de carbone ou le graphène. 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.

Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, le support du matériau catalytique comprend au moins un matériau choisi parmi l’or, le cuivre, l’argent, le titane, le silicium.

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. Le support électro-conducteur peut être ajouté au cours de la préparation du matériau catalytique et/ou au cours de la préparation de l’électrode.

Etape 2) dépôt de l’encre sur une membrane, ou un collecteur conducteur électronique.

Dans un mode de réalisation, l’encre obtenue à l’étape 1) est déposée sur une membrane échangeuses de protons ou échangeuse d’anions.

Au sens de l’invention, on entend par une membrane échangeuse de protons est une membrane semi-perméable, extrêmement fine (20-300 micromètres), fabriquée à partir d’ionomères permettant la conduction protonique tout en étant imperméable aux gaz tels que le dioxygène ou le dihydrogène : les protons passent à travers alors que les gaz sont stoppés. Cette particularité est exploitée dans les AME (Assemblage de Membrane-Électrode) des électrolyseurs PEM. Les PEM sont fabriquées à partir de membranes en polymère pur ou de membranes composites où les matériaux forment une matrice de polymère. Elles sont presque exclusivement composées de membranes perfluoro-sulfonées acides (PFSA), dont la plus connue est le Nafion© de la société Dupont de Nemours. Le Nafion® est un ionomère composé d’un squelette hydrophobe de typepoly(tetrafluoroethylene) (PTFE) sur lequel sont greffées des chaînes pendantes perfluorées (perfluorovinylether) terminées par des groupes sulfoniques.

On entend par une membrane échangeuse d’anions une membrane semi-perméable, extrêmement fine (entre 20 et 300 micromètres), fabriquée à partir d’ionomères permettant la conduction des anions hydroxyles (ou hydroxydes) tout en étant imperméable aux gaz tels que le dioxygène ou le dihydrogène : les OH^-passent à travers la membrane alors que les gaz sont stoppés. Cette particularité est exploitée dans les AME (Assemblage de Membrane-Électrode) des électrolyseurs AEM.

Dans un autre mode de réalisation, l’encre obtenue à l’étape 1) est déposée sur un collecteur de courant. 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 avoir 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 de l’encre selon l'invention est qu'elle peut être déposée 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 µm.

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 formation d’hydrogène.

L’électrolyte est une membrane polymère échangeuse de protons H⁺ou d’anions OH^-qui assure le transfert des protons H⁺ou des anions OH^-de l’anode à la cathode ou de la cathode à l’anode respectivement 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 ;

L’alimentation minimale en eau d’un dispositif d’électrolyse est de 0,8 l/Nm³d’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 μS/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.

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 :

[Chem 4]

N₂+6H⁺+ 6 e^-→ 2NH₃

L’électrolyte peut être :

- soit une solution aqueuse (Na₂SO₄ou 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 (H₂SO₄ou HCl) ou basique (KOH) ;

- soit une membrane polymère échangeuse de protons ou d’anions OH- qui assure le transfert des protons ou des anions OH^-de l’anode à la cathode ou de la cathode à l’anode respectivement 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.

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 : Approvisionnement d’un matériau solide S1 à base de molybdène sulfuré sous forme massive : MoS₂massif commercial

Un premier matériau solide S1 à base de Molybdène sulfuré commercial (fournisseur Sigma Aldrich ; numéro CAS :1317-33-5), pour lesquelles les particules ont en moyenne une taille de 90 nm est approvisionné sous forme massive. La teneur de Mo sur le matériau solide sulfuré est de 100% poids par rapport au poids total dudit matériau solide.

Exemple 2 : Approvisionnement d’un matériau solide S2 à base de molybdène sous forme sulfurée et supportée : préparation du matériau MoS₂supporté sur du noir de carbone

Un second matériau solide S2 à base de molybdène sulfuré supporté sur du noir de carbone de type Ketjenblack ec-660jd commercial (fournisseur Nouryon ; numéro CAS : 1333-86-4) de surface spécifique égale à 1380 m²/g est préparé. Pour se faire, 10,39 g de H₃PMo₁₂O_40,28H₂O sont solubilisés dans 18,5 ml d’eau. La solution obtenue est utilisée pour imprégner 3 g de noir de carbone. Le matériau humide obtenu est ensuite séché dans une étuve à 120°C pendant 2 h. le matériau sec est ensuite sulfuré sous H₂S pur à 300°C pendant 2 h. La teneur de Mo sur le matériau solide sulfuré est de 44% poids par rapport au poids total dudit matériau solide. La densité surfacique de molybdène est de 8 atomes de Molybdène par nm²de support.

Exemple 3 : Préparation d’un matériau catalytique C1 : fluoration de S1 (conforme à l’invention)

Le matériau solide S1 est mis en contact avec un gaz comprenant au moins du difluor à une température de 20°C, une durée de 20 minutes, une concentration en difluor dans le gaz de 20% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression de 0,1 MPa, une P.P.H de 0,2 h^-1, pour obtenir un matériau catalytique C1. Le gaz de dilution est du diazote.

Exemple 4 : Préparation d’un matériau catalytique C2 : fluoration de S2 (conforme à l’invention)

Le matériau solide S2 est mis en contact avec un gaz comprenant au moins du difluor à une température de 20°C, une durée de 20 minutes, une concentration en difluor dans le gaz de 20% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression de 0,1 MPa, une P.P.H de 0,2 h^-1, pour obtenir un matériau catalytique C2 . Le gaz de dilution est du diazote.

Exemple 5 : Préparation d’une électrode de travail E1 à base d’un matériau catalytique C1 (conforme)

Afin de déposer le matériau catalytique C1 sur une électrode, une encre est formulée. Pour cela, 50 mg de matériau catalytique C1 auxquels ont été ajoutés 5 mg de noir d’acétylène pour assurer la conduction électronique et 5 mg de polyfluorure de vinyldène (PVDF) pour assurer la tenue mécanique du dépôt d’encre à la surface de l’électrode de travail sont dispersés dans 10 mL de mélange eau/éthanol (4:1) puis placés 30 minutes aux ultra-sons pour constituer l’encre. Un dépôt de 10 µl d’encre est effectué sur l’embout de carbone vitreux de l’électrode tournante de travail. Après dépôt de l’encre sur l’électrode de travail, l’électrode est séchée afin d’évaporer le solvant à température de 20°C et à l’air libre pour obtenir l’électrode de travail E1.

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).

Exemple 6 : Préparation d’une électrode de travail E2 à base d’un matériau catalytique C2 (conforme)

Afin de déposer le matériau catalytique C2 sur une électrode, une encre est formulée. Pour cela, 19 mg de matériau catalytique C2 ont été ajoutés à 80µL de Nafion® (solution H₂O/Propanol 20:80 à 5 % massique en Nafion®) qui permet d’assurer la tenue mécanique du dépôt à la surface de l’électrode. Le tout étant dispersé dans 523 μL d’isopropanol et 2,8 mL eau ultra pure. 2 mg de carbone Ketjenblack commercial (fournisseur Nouryon ; numéro CAS : 1333-86-4) sont ajoutés au mélange pour assurer la conduction électronique. Le mélange est ensuite placé 30 minutes aux ultra-sons. Un dépôt de 10 µl d’encre a été effectué sur l’embout de carbone vitreux de l’électrode tournante de travail. Après dépôt de l’encre sur l’électrode de travail, l’électrode est séchée afin d’évaporer le solvant à température de 20°C et à l’air libre pour obtenir l’électrode de travail E2.

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).

Exemple 7 : Tests électrochimiques des électrodes de travail

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/AgCl. L’électrolyte est une solution aqueuse d’acide sulfurique (H₂SO₄) 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).

Le carbone vitreux a l’avantage de n’avoir aucune activité catalytique et d’être un très bon conducteur électrique.

Les performances des électrodes de travail E1, E2 préparées dans les exemples 5 et 6 sont testées.

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 ENH (Electrode Normale à hydrogène) 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 autres, de déterminer la surtension nécessaire pour la réduction des protons en H₂.

Elle permet aussi de déterminer la valeur de la pente de Tafel qui renseigne sur l’aspect cinétique de la réaction électrochimique. L’équation de Tafel est une équation de cinétique électrochimique qui relie la surtension à la vitesse de la réaction électrochimique, elle-même représentée par la densité de courant :

Le signe est positif pour une réaction anodique et négatif pour une réaction cathodique.

Avec :

A : la pente de Tafel en Volt par décade (V/dec)

: la surtension en Volt (V)

i : la densité de courant en Ampère (A)

i₀: la densité de courant d’échange en Ampère par cm²d’électrode. Le terme i₀traduit la vitesse de transfert des électrons entre l’électrode et l’électrolyte. Par exemple, dans le cas de l’HER à 1 mol/kg d’H₂SO₄, i₀est égale à - log₁₀3,1. Pour le tungstène, i₀est - log₁₀5,9 pour le Tungstène. Pour le palladium constituant la vitesse la plus élevée, i₀est égal à - log₁₀3,03.

On notera que plus la valeur absolue de la pente de Tafel est faible, plus la cinétique de réaction est rapide. On rappelle que dans le cas du Platine, la surtension à - 10 mA.cm^-2est comprise entre - 15 et - 40 mV selon le type d’électrocatalyseur utilisé (selon le ratio Pt/C) et la pente de Tafel est d’environ de 23 mV/dec vs 95 mV/dec pour un MoS₂massif.

- 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 densité de courant de - 10 mA/cm²et durant un temps donné.

Les performances électrochimiques des électrodes de travail E1, E2 sont rassemblées dans le tableau 1, ci-après. Elles sont exprimées en surtension à une densité de courant de -10 mA/cm²et en pente de Tafel (mV/dec).

On compare également ces résultats à des résultats de performances de matériaux catalytiques divulgués dans l’art antérieur :

- MoS₂massif (non fluoré) divulgué par L. X. Chen, et al. «Design of Dual-Modified MoS₂with Nanoporous Ni and Graphene as Efficient Catalysts for the Hydrogen Evolution Reaction» 2018.

- MoS₂fluoré par voie hydrothermale qui consiste à dissoudre du MoS₂dans une solution d’espèce fluorée aqueuse NH₄F(aq) puis à réaliser un traitement thermique à la bombe hydrothermale divulgué par Y. Wang, et al. «Fluorine- and Nitrogen-Codoped MoS ₂ with a Catalytically Active Basal Plane», 2017.

-MoS₂fluoré par exposition sous plasma en présence de CHF₃divulgué par R. Zhang, et al. «Creating Fluorine-Doped MoS ₂ Edge Electrodes with Enhanced Hydrogen Evolution Activity», 2021.

Matériaux Catalytiques	Surtension à -10 mA/cm2[(mV) vs ENH]	Pente de Tafel (mV/dec)
E1 (conforme à l’invention)	90	50
E2 (conforme à l’invention)	85	50
MoS2massif (non fluoré) (L. X. Chen, et al.,2018)	282	151
MoS2traité par NH4F(aq) (Y. Wang, et al, 2017)	110	57
MoS2traité par plasma CHF3 (R. Zhang, et al. 2021)	160	136

Avec une surtension de seulement 90 mV vs ENH, et 85 mV vs ENH, les électrodes E1 et E2 préparées à partir de MoS₂massif ou à partir de MoS₂supporté et fluoré sous F₂(g) dans des conditions maitrisées selon l’invention présentent de meilleures performances par rapport aux matériaux non fluorés ou fluorés par d’autres méthodes de l’art antérieur.

Ce résultat démontre l’intérêt incontestable de la fluoration par le F₂(gaz) dans des conditions maitrisées pour le développement de la filière hydrogène par électrolyse de l’eau.

Claims (15)

1. Procédé de préparation d’un matériau catalytique d’une électrode pour des réactions de réduction électrochimique, ledit matériau catalytique comprenant une phase active à base d’au moins un métal du groupe VIB et de fluor, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
   a) on approvisionne un matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré ;
   b) on réalise une étape de fluoration du matériau solide approvisionné à l’étape a) en présence d’un gaz comprenant au moins du difluor, à une température comprise entre -50°C et 150°C, une durée comprise entre 15 secondes et 120 minutes, une concentration en difluor dans le gaz comprise entre 0,1 et 100% volume par rapport au volume total dudit gaz, une pression comprise 0,001 et 0,2 MPa, une P.P.H comprise entre 0,01 et 200 h^-1, pour obtenir ledit matériau catalytique.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la concentration en difluor dans le gaz utilisé à l’étape b) est comprise entre 1% et 50% volume par rapport au volume total dudit gaz de fluoration.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la durée de l’étape b) est comprise entre 1 minute et 60 minutes.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la durée de l’étape b) est comprise entre 1 minute et 20 minutes.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le gaz utilisé dans l’étape b) comprend un gaz inerte choisi parmi le diazote (N₂), l’argon (Ar), l’hélium (He).
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel à l’étape a) ledit métal du groupe VIB est choisi parmi le molybdène ou le tungstène.
7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit métal du groupe VIB est le molybdène.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré approvisionné à l’étape a) est sous forme massive ou supporté sur un support électro-conducteur.
9. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le matériau solide à base d’au moins un métal du groupe VIB sulfuré approvisionné à l’étape a) est supporté sur un support électro-conducteur.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le support électro-conducteur est du carbone.
11. Procédé de préparation d’une électrode comprenant les étapes suivantes :
    1) on prépare une encre en réalisant les sous étapes suivantes :
    1a) on dissout dans un solvant ou un mélange de solvant, au moins un liant polymère de type conducteur ionique ;
    1b) on ajoute à la solution obtenue à l’étape 1a) au moins un matériau catalytique préparé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, sous forme de poudre ;
    les étapes 1a), 1b) étant réalisées dans un ordre indifférent, ou simultanément ;
    2) on dépose l’encre obtenue à l’étape 1) sur une membrane, ou un collecteur conducteur électronique.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel on ajoute à l’étape 1) un support électro-conducteur dans l’encre.
13. Dispositif d’électrolyse comprenant une anode, une cathode, un électrolyte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que l’une au moins de l’anode ou de la cathode est une électrode préparée selon l'une des revendications 11 ou 12.
14. Utilisation du dispositif d’électrolyse selon la revendication 13 dans des réactions électrochimiques.
15. Utilisation selon la revendication 14, 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 de l’azote pour la production d’ammoniac ;
    - dispositif d’électrolyse du dioxyde de carbone pour la production d’acide formique, de CO et d’éthylène ;
    - dispositif de pile à combustible pour la production d’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène.