Les études des électrocatalyseurs hybrides à l'échelle nano

 

Joshua Byers

Université du Québec à Montréal [UQAM]

 

Domaine : matériaux

Programme projet de recherche en équipe

Concours 2018-2019

Le projet de recherche proposé vise à déterminer les interactions entre des nanoparticules d'électrocatalyseurs et les supports de carbone pour développer de nouvelles stratégies pour synthétiser des matériaux d'électrode plus efficaces. Ce projet regroupe une équipe d'experts sur les matériaux de carbonés et les nanoparticules avec des spécialistes dans l'imagerie électrochimique à l'échelle nanométrique, afin de développer de nouvelles façons de visualiser les processus électrocatalytiques sur les nanomatériaux individuels de graphène et de nanoparticules bimétalliques. Cet effort collaboratif permettra la synthèse rationnelle des matériaux d'électrodes nanostructurés efficaces, sélectifs et stables.

Dans ce projet, nous nous concentrerons sur la réaction de réduction de l'oxygène, une réaction électrocatalytique technologiquement importante pour les piles à combustible. Bien que conceptuellement simple, la transformation électrocatalytique de l'oxygène à l'eau implique plusieurs d'étapes avec bris et formation de liaisons chimiques en concert avec des réactions redox à la surface d'une électrode. Dans chacune de ces étapes, une dynamique complexe existe entre la surface de l'électrode et les réactifs/produits/intermédiaires. Souvent, les espèces intermédiaires générées peuvent être mobiles et se séparer pour réagir à un site différent (par exemple, un défaut) avant qu'une réaction ne soit terminée. Autrement dit, l'adsorption initiale des réactifs et la formation ultérieure du produit peuvent se produire à deux endroits complètement différents. Ainsi, le contrôle de la sensibilité de surface, sur plusieurs sites, est la clé pour réaliser les avantages considérables offerts par les matériaux d'électrode hybrides. Nous proposons de concevoir et de synthétiser des électrodes composées de nanomatériaux hybrides bien définies de graphène et de nanoparticules bimétalliques. Le contrôle de la chimie de la surface de graphène et de la composition des nanoparticules bimétalliques nous permettront d'explorer les relations fondamentales à l'échelle nanométrique entre l'électrocatalyseur, le support de graphène et la réaction de réduction de l'oxygène.

La synthèse rationnelle des électrocatalyseurs de nanoparticules est guidée principalement par les mesures d'électrodes monocristallines, de grandes dimensions (plusieurs millimètres), où l'orientation cristallographique, la densité des étapes et les défauts sont bien définis. Cependant, des effets subtils à l'échelle nanométrique des nanoparticules individuelles en raison de la taille, de la structure ou de la composition, ainsi que de l'interaction dynamique qui peuvent exister entre les nanoparticules et le support ne sont pas présents pour l'électrode monocristalline de grande dimension. Afin de découpler les effets particules-substrats à l'échelle nanométrique, nous avons l'intention de développer une méthodologie complètement nouvelle en utilisant la microscopie électrochimique à balayage pour visualiser l'activité électrocatalytique au niveau des nanomatériaux individuels. Nous allons accomplir ce but par le développement d'une approche expérimentale-théorique combinée qui augmentera considérablement le taux d'acquisition d'images, permettant des mesures à différents potentiels d'électrode et une analyse cinétique quantitative de nanomatériaux individuels, ce qui représente un changement progressif important dans l'imagerie électrochimique de l'activité des matériaux d'électrode.