Nanoparticules coeur-coquille d'oxyde de fer et de cobalt pour l'électrocatalyse de la réaction de dégagement de l'oxygène
Core-shell cobalt iron oxide nanoparticles for the electrocatalysis of the oxygen evolution reaction
Réaction de dégagement de l’oxygène (OER)
Oxyde de cobalt
Oxyde de fer
Nanoparticule coeur coquille
Operando spectroscopie de structure près du seuil d'absorption de rayons X (NEWAFS)
Oxygen evolution reaction (OER)
Cobalt oxide
Iron oxide
Core-shell nanoparticles
Operando near-edge absorption spectroscopy (NEXAFS)
541.3
Oxydes de cobalt
Nanoparticules d'oxyde de fer
Nanoparticules
Spectrométrie XANES
Cette thèse étudie un nouveau type de catalyseur visant à abaisser le potentiel d’activation de la réaction de dégagement de l’oxygène (OER) en milieu alcalin tout en remplaçant les métaux nobles utilisés communément en milieu acide par des oxydes métalliques. Ce catalyseur combine les propriétés conductrices d’un cœur de magnétite (Fe3O4) à l’activité électrocatalytique d’une coquille de ferrite de cobalt (CoFe2O4) dans une structure cœur-coquille Fe3O4@CoFe2O4. Les propriétés électrochimiques de ces nanoparticules (NPs) ont été étudiées systématiquement en modifiant la taille du cœur et l’épaisseur de la coquille. Les NPs constituées d’un cœur de taille supérieur à 12 nm ont permis d’atteindre une activité de 2800 A.g-1cobalt à 1.65 V vs. RHE qui est généralement au-delà des valeurs reportées dans la littérature pour des composés similaires. Les mécanismes se déroulant à la surface des nanoparticules lors de la réaction d’OER ont été étudiées operando et l’étude de la structure électronique des métaux en fonction de leur environnement a permis de suivre l’évolution de leurs degrés d’oxydation et de mettre en évidence la synergie entre les cations de fer (II) et de cobalt (II) pendant l’OER. De plus, l’analyse par microscopie électronique à transmission (STEM HAADF et EELS) a montré que la structure cœur-coquille est conservée lors de cette réaction et qu’elle permet d’éviter la formation de CoOOH en surface dans la gamme de potentiel de l’OER.
This thesis studies a novel type of catalyst aiming for lowering the overpotential of the oxygen evolution reaction in alkaline media while replacing the noble metals oxide commonly used in acidic media by transition metal oxides. This catalyst combines the conductive properties of a magnetite core (Fe3O4) and the electrocatalytic activity of a cobalt ferrite shell using core-shell Fe3O4@CoFe2O4 nanoparticles. The electrochemical properties of these nanoparticles have been systematically studied modifying the core size and the shell thickness. The particles presenting a core diameter superior to 12nm reached an activity of 2800 A.g-1cobalt at 1.65 V vs. RHE which is by far superior to the activity reported in the literature for similar catalysts. The transformations occurring at the surface of the catalyst during the oxygen evolution reaction have been studied operando by NEXAFS thanks to synchrotron radiation. This technique allowed the study the evolution of the metal cation oxidation state and evidenced a synergy between the Fe (II) in the core and the Co (II) in the shell during the OER. Moreover, transmission electron microscopy revealed that the core-shell structure was preserved during the OER and that it allows to prevent the formation of CoOOH in the potential range of the OER.
Electronic Thesis or Dissertation
Text
en
PDF
6836099
Université de Strasbourg
Strasbourg
2023-12-31
https://theses.hal.science/tel-04213561
application/pdf
15554253
https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2022/Royer_Lisa_2022_ED222.pdf
http://www.theses.fr/2022STRAF023/abes
https://theses.hal.science/tel-04213561
https://theses.hal.science/tel-04213561
https://theses.hal.science/tel-04213561
https://theses.hal.science/tel-04213561
Royer
Lisa
1996-09-18
FR
267202245
0207038194R
21619356
4200003
https://theses.fr/2022STRAF023
2022STRAF023
https://doi.org/10.70675/811eb244za349z433eza78ez479d66360a2a
2022-11-08
Chimie-physique
Strasbourg
131056549
Doctorat
Docteur es
non
oui
Savinova
Elena R.
MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1
075152398
Bonnefont
Antoine
MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_2
063051206
Pichon
Benoît
MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_3
086369369
Maroun
Fouad
MADS_PRESIDENT_DU_JURY
188591265
Dubau
Laetitia
MADS_MEMBRE_DU_JURY_1
061432210
Gallet
Jean-Jacques
MADS_MEMBRE_DU_JURY_2
250189356
Chanéac
Corinne
MADS_RAPPORTEUR_1
164103449
Friedrich
K. Andreas
MADS_RAPPORTEUR_2
183948750
École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
MADS_ECOLE_DOCTORALE_1
222
156504081
Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1
255208
157548457
Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_2
93794
151842973
ddc:540
Savinova
Elena R.
Bonnefont
Antoine
Pichon
Benoît
Maroun
Fouad
Dubau
Laetitia
Gallet
Jean-Jacques
Chanéac
Corinne
Friedrich
K. Andreas
École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
Institut de chimie et procédés pour l'énergie, l'environnement et la santé (Strasbourg)
Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
PDF
6836099
confidentialité 2022-11-08 2023-01-31
confidentialité 2022-11-08 2023-01-31
confidentialité 2022-11-08 2023-01-31
confidentialité 2022-11-08 2023-01-31