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Synthèse d’aérogels métalliques, Ni, Cu, NiCo, NiFe pour l’électrolyse

Metal aerogel synthesis, Ni, Cu, NiCo, NiFe for electrolysis

Proposition de thèse

Spécialité

Energétique et génie des procédés

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

BEAUGER Christian

Unité de recherche

Energétique et Procédés

Contact
Date de validité

01/10/2020

Site Web
Mots-clés

Aérogels, catalyse, électrolyse

Aerogel,, catalysis, electrolysis

Résumé

Contexte et enjeux
La texture spécifique des aérogels en fait des matériaux de choix pour la catalyse. Le contrôle de leur morphologie à partir des paramètres de synthèse permet d’accéder à une librairie de matériaux variée et d’adapter la porosité à l’application visée. Dans le domaine de l’électrochimie en milieu acide (piles à combustible, électrolyse de l’eau) ils sont généralement utilisés comme supports de Pt ou d’Ir par exemple, dans le but de minimiser les quantités utilisées de ces métaux nobles, chers et dont la disponibilité pourrait devenir limitante. Deux autres applications d’intérêt pourraient encore bénéficier des avantages des aérogels, l’électrolyse alcaline et l’électrolyse du CO2. Dans les deux cas les réactions électrochimiques mises en jeu font intervenir des métaux non nobles, Cu, Ni ou Ni-Co, Ni-Fe. Il ne s’agit plus ici donc de développer des supports de catalyseur mais des catalyseurs à textures 3D mésoporeuses.

Objectifs scientifiques
Le travail proposé consistera à mettre au point la synthèse d’aérogels métalliques pour différents métaux, Ni, Cu et alliages Ni-Fe ou Ni-Co. Dans chaque cas on s’attachera à identifier les paramètres et les conditions qui permettront de contrôler la morphologie des matériaux synthétisés (surface spécifique et distribution de tailles de pore notamment). Celle-ci s’avère en effet primordiale pour faciliter les dégagements gazeux au sein d’un liquide dans le cas de l’électrolyse alcaline ou pour orienter la synthèse d’hydrocarbures dans le cas de l’électrolyse du CO2. Pour les alliages considérés, on déterminera les compositions accessibles et leur activité pour les réactions visées.

Approche – Méthodes
Le travail débutera par une étude bibliographique visant à répertorier l’ensemble des protocoles disponibles dans la littérature et à identifier les relations synthèse-propriétés déjà mises à jour. Sur la base des connaissances disponibles au laboratoire et des résultats de l’étude bibliographique, il s’agira ensuite de mettre au point les protocoles de synthèse qui conduiront aux matériaux visés. Après caractérisation physicochimique (MEB-EDX, Adsorption d’azote, DRX, XPS…) l’activité catalytique des matériaux sélectionnés sera évaluée en électrolyte liquide (RDE, H-cell). L’analyse des produits formés permettra alors d’obtenir des données sur les relations texture-propriétés et d’orienter les synthèses vers les morphologies les plus adaptées.


Résultats attendus
• Mise au point de protocoles synthèse d’aérogels métalliques, Ni, Cu, Ni-Fe, Ni-Co…
• Caractérisation physicochimique et électrochimique des catalyseurs synthétisés
• Etablissement des relations paramètres de synthèse-texture-propriétés

Context and challenges
The specific texture of aerogels makes them the materials of choice for catalysis. Controlling their morphology from the synthesis parameters makes it possible to access a varied library of materials and to adapt the porosity to the foreseen application. In the field of electrochemistry in acid medium (fuel cells, water electrolysis) they are generally used as Pt or Ir supports for example, in order to minimize the quantities used of these noble, expensive metals and whose availability could become limiting. Two other applications of interest could still benefit from the advantages of aerogels, alkaline electrolysis and CO2 electrolysis. In both cases the electrochemical reactions involve non-noble metals, Cu, Ni or Ni-Co, Ni-Fe. It is no longer a question here of developing catalyst supports but catalysts with mesoporous 3D textures.

Scientific objectives
The proposed work will consist in developing the synthesis of metallic aerogels for different metals, Ni, Cu and Ni-Fe or Ni-Co alloys. In each case, we will focus on the identification of the parameters and conditions which will make it possible to control the morphology of the synthesized materials (specific surface and pore sizes distribution in particular). This is indeed essential to facilitate the release of gas within a liquid in the case of alkaline water electrolysis or to guide the synthesis of hydrocarbons in the case of CO2 electrolysis. For the alloys considered, the accessible compositions and their activity for the targeted reactions will be determined.

Methodology
The work will begin with a bibliographic study aimed at listing all the protocols available in the literature and identifying the synthesis-property relationships already updated. Based on the knowledge available in the laboratory and the results of the bibliographic study, it will then be a question of developing the synthesis protocols which will lead to the targeted materials. After physicochemical characterization (SEM-EDX, Nitrogen adsorption, XRD, XPS ...) the catalytic activity of the selected materials will be evaluated in liquid electrolyte (RDE, H-cell). The analysis of the products formed will then make it possible to obtain data on the texture-properties relationships and to orient the syntheses towards the most suitable morphologies.

Expected results
• Development of synthesis protocols for metallic aerogels, Ni, Cu, Ni-Fe, Ni-Co…
• Physicochemical and electrochemical characterization of the synthesized catalysts
• Establishment of synthesis parameters-texture-properties relationships

Contexte

...

Encadrement

Un comité de suivi sera défini selon les règles de l'Ecole Doctorale.

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais. Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d’innovation et de communication. Qualités d’adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche, en particulier expérimentale. Projet professionnel cohérent.
Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Bonnes connaissances en chimie, physicochimie, électrochimie.

Pour postuler : envoyer un CV + lettre de motivation + 2 références à
Christian Beauger : christian.beauger@mines-paristech.fr

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Research Master - Good level of general and scientific knowledge. Good level of practice of French and English. Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity, in particular experimental. Coherent professional project.
Prerequisites (specific skills for this thesis): Good knowledge in chemistry, physicochemistry, electrochemistry.

To apply: send CV + a cover letter + 2 references to Christian Beauger
christian.beauger@mines-paristech.fr

Références

...

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

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