Développement de nouveaux catalyseurs à base de métaux de transition pour pile à combustible de type PEMFC

Abstract

Ce travail vise à concevoir des catalyseurs innovants à base de métaux de transition pour les piles à combustible PEMFC, en s’appuyant sur deux techniques d’électrodéposition : la voltampérométrie cyclique et l’électrodéposition à potentiel constant Ces deux méthodes sont étroitement liées et se révèlent cohérentes et harmonisées, permettant une compréhension plus complète du processus de dépôt. Deux types de matériaux ont été élaborés. Le premier consiste en un film métallique de cuivre (Cu-H₂/AINOX) déposé sur un substrat en acier inoxydable 304L, utilisé comme anode pour catalyser l’oxydation du formaldéhyde en milieu alcalin. Le second type de matériau est constitué d’un film structuré d’oxyde de cuivre (CuO/Cu) réalisé sur un substrat de cuivre pur (C10200, Cu 99,9 %), qui sert de cathode pour la réduction du peroxyde d’hydrogène. La morphologie et la structure de ces électrodes ont été analysées à l’aide de diverses techniques de caractérisation, notamment la microscopie électronique à balayage, l’analyse par énergie dispersive en rayons X, la microscopie à force atomique et la diffraction des rayons X. Les tests électrochimiques réalisés par voltampérométrie cyclique ont mis en évidence une activité catalytique élevée. L’assemblage de l’anode en cuivre et de la cathode en oxyde de cuivre dans une cellule bicompartimentée a démontré que les matériaux développés présentent un fort potentiel pour une utilisation dans les piles à combustible, la cellule ainsi constituée générant une puissance de 0,06 mW/cm² à un potentiel de 0,7 V.

يهدف هذا العمل إلى تصميم محفّزات مبتكرة قائمة على معادن الانتقال لاستخدامها في خلايا الوقود من نوع PEMFC، بالاعتماد على تقنيتين للترسيب الكهربائي: الفولطامبيرومترية الدورية والترسيب الكهروكيميائي عند جهد ثابت. هاتان الطريقتان مترابطتان بشكل وثيق وتبرزان انسجاماً وتكاملاً يسمح بفهم أكثر شمولية لآلية الترسيب . تم تطوير نوعين من المواد : النوع الأول يتمثل في فيلم معدني من النحاس (Cu-H₂/AINOX) مُرَسَّب على ركيزة من الفولاذ غير القابل للصدأ304L ، استُخدم كأنود لتحفيز أكسدة الفورمالدهيد في وسط قلوي.أما النوع الثاني فهو فيلم منظم من أكسيد النحا (CuO/Cu) مُحضَّر على ركيزة من النحاس النقي (C10200,Cu99.9%) استُعمل ككاثود لاختزال بيروكسيد الهيدروجين. تمت دراسة البنية والمورفولوجيا لهذه الأقطاب باستعمال عدة تقنيات تحليل، مثل: المجهر الإلكتروني الماسح، التحليل الطاقي للأشعة السينية، المجهر الذري للقوة, وحيود الأشعة السينية. وأظهرت الاختبارات الكهروكيميائية بواسطة الفولطامبيرومترية الدورية نشاطاً تحفيزياً عاليا.إن تركيب الأنود النحاسي مع الكاثود المكوَّن من أكسيد النحاس في خلية ثنائية الحجرات بيّن أن المواد المطوَّرة تُظهر قدرة كبيرة على الاستخدام في خلايا الوقود، حيث ولّدت الخلية قدرة كهربائية بلغت 0.06 mW/cm² عندجهد0.7V