Ingéniérie moléculaires d’électrodes nanostructurées de production et d’oxydation d'hydrogène

L'intégration de catalyseurs moléculaires au sein de dispositifs fonctionnels de production et d'oxydation d'hydrogène est une étape majeure avant leur mise en œuvre en électrolyseur ou piles à combustible. Nous développons des méthodologies d’immobilisation de catalyseurs moléculaires sur des matériaux d’électrode carbonés permettant d’obtenir de nouveaux matériaux électrocatalytiques pour la production ou l'oxydation de l'hydrogène. Dans ce cadre, nous avons développé une stratégie originale, combinant l'approche moléculaire biomimétique développée dans l'axe I avec les outils de la nanochimie. Cela nous a amenés à montrer que le greffage sur des nanotubes de carbone de complexes nickel-bisdiphosphine incorporant certains éléments essentiels du site actif des hydrogénases [NiFe] permet d’obtenir des matériaux électro-catalytiques présentant des performances remarquables, et jusqu’alors inégalée pour des matériaux ne renfermant pas de métaux nobles.

Ces matériaux se sont révélés être des catalyseurs d'oxydation de l'hydrogène particulièrement efficaces en milieu acide permettant d’atteindre des densités de courant supérieures à 20 mA/cm², même en présence de monoxyde de carbone (CO), une impureté majeure présente dans l’hydrogène dérivé du reformage d’hydrocarbures ou de biomasse. Cela représente une percée majeure pour la technologie des piles à combustible PEM à base de Nafion, car l'empoisonnement par le CO de l’électrocatalyseur au Pt largement utilisés dans ces technologies limite le déploiement commercial de ces dispositifs. Nous avons démontré qu’il est possible d’intégrer ces nouveaux matériaux catalytiques dans une pile à combustible complète exempte de métaux nobles.


Notre programme de recherche combine des études systématiques de formulation et la caractérisation physico-chimique détaillée des matériaux hybrides obtenus afin de progresser vers une optimisation rationnelle de leurs performances pour atteindre des densités actuelles compatibles avec une intégration technologique.

Les mêmes méthodologies d'ingénierie moléculaire peuvent être appliquées à l'élaboration de matériaux catalytiques de production d’hydrogène. Le greffage assure en effet une protection largement accrue de ces catalyseurs contre la dégradation. Certains de ces catalyseurs immobilisés s'avèrent tolérants à la présence d'oxygène dans les milieux de travail.



Matériaux catalytiques bio-inspirés

Comme approche alternative au greffage de catalyseurs moléculaires sur un substrat d'électrode, nous étudions également la préparation de nouveaux matériaux inorganiques comme électrocatalyseurs. Notre programme cible spécifiquement les sulfures métalliques qui imitent certaines des propriétés catalytiques des sites actifs de métalloenzymes telles que les hydrogénases, les CO-déshydrogénases ou les nitrogénases. Ces sulfures métalliques s'avèrent très actifs en tant que catalyseurs de production d’hydrogène à partir de solutions acides et nous les formulons dans des couches catalytiques d'électrolyseurs à membrane échangeuse de protons.