Résumé
Cette thèse de doctorat étudie la synthèse, caractérisation structurale et activité pour la réaction de réduction de O2 (ORR) de catalyseurs Fe-N-C et de composites d’oxydes de manganèse supporté sur Fe-N-C, ainsi que leur utilisation en pile à combustible à membrane échangeuse d’anions (AEMFC). Tandis que les piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) requièrent aujourd’hui du platine dans ses catalyseurs pour atteindre des hautes performances, les piles AEMFC peuvent ouvrir la voie vers des piles sans métaux précieux. Si les catalyseurs Fe-N-C sont actuellement étudiés comme alternative au platine à la cathode des PEMFC, ils souffrent d’une faible activité et d’une durabilité limitée dans ce milieu. En revanche, on peut espérer que l’activité et la durabilité des catalyseurs Fe-N-C soient améliorées dans les AEMFC.Ce travail démontre la haute activité, stabilité et durabilité en milieu alcalin de catalyseurs Fe-N-C comprenant des sites FeNx à un atome de fer. Ils ont été préparés à partir de ZIF-8 et de sel de fer, pyrolysé sous Ar (Fe0.5-Ar) puis sous NH3 (Fe0.5-NH3). Leur activité a été mesurée en électrode à disque tournant (RDE) et en AEMFC, tandis que la stabilité a été mesurée en RDE et operando avec un spectromètre de masse (ICP-MS) en aval d’une cellule à flux (SFC), en électrolyte acide et alcalin. Le dispositif ICP-MS/SFC a été utilisé pour mesurer in operando la dissolution du fer. En électrolyte acide oxygéné, la vitesse de dissolution du fer du catalyseur le plus actif (Fe0.5-NH3) est 10 fois plus rapide que celle du catalyseur moins actif, Fe0.5-Ar. Ceci explique la faible stabilité des catalyseurs Fe-N-C pyrolysés sous NH3 en PEMFC. En revanche, en électrolyte alcalin, les vitesses de dissolution du fer sont faibles, même pour Fe0.5-NH3. Ces résultats vont de pair avec l’absence de changement d’activité en RDE après un test de dégradation accélérée. La nature des sites actifs a de plus été étudiée par spectroscopie d’absorption de rayons X en mode operando.Afin de réduire la quantité de peroxyde d’hydrogène sur Fe-N-C pendant l’ORR, plusieurs oxydes de manganèse ont été synthétisés et leur activité pour l’ORR et la réaction de réduction du peroxyde d’hydrogène (HPRR) évaluée. Il a été démontré par ICP-MS/SFC que même l’oxyde de manganèse le plus stable, Mn2O3, peut dissoudre une quantité importante de Mn pendant l’ORR en milieu alcalin. De plus, cette dissolution est due au peroxyde d’hydrogène produit pendant l’ORR. Des composites MnOx/Fe0.5-NH3 ont été étudiés pour les réactions ORR et HPRR. Tous ont montré une meilleure sélectivité pendant l’ORR que Fe0.5-NH3 seul, et l’effet le plus important fut avec Mn2O3.Avant d’étudier ces catalyseurs en AEMFC, une étude a été faite sur la compatibilité entre différents catalyseurs de l’ORR et/ou de l’oxydation de H2 (Pt/C, Fe0.5-NH3, PtRu/C, Pd-CeO2/C) et des ionomères échangeurs d’anion, en RDE dans 0.1 M KOH. Ceci a permis d’identifier certains problèmes entre les ionomères étudiés et les catalyseurs comprenant une faible quantité de métal (Fe0.5-NH3, Pd-CeO2/C).Les catalyseurs Fe0.5-NH3 et Mn2O3/Fe0.5-NH3 ont alors été étudiés en AEMFC avec un ionomère à base d’éthylène-tetrafluoroéthylène. Les deux catalyseurs atteignent une densité de courant de 80 mA cm-2 à 0.9 V, avec un chargement de 1.0-1.5 mg cm-2. Le pic de puissance sous H2/O2 est de 1 W cm-2 à 60°C, avec une AEM à base de polyéthylène basse densité, et de 1.4 W cm-2 à 65°C avec une AEM en polyéthylène haute densité. En comparaison, une densité de courant de 70 mA cm-2 à 0.9 V et un pic de puissance de 1.5 W cm-2 ont été obtenus avec 0.45 mgPt cm-2 à la cathode (40 wt% Pt/C) à 60°C, avec l’AEM en polyéthylène basse densité. Un test de durabilité de 100 h à 0.6 A cm-2 sous air a montré une bonne stabilité de Fe0.5-NH3.En conclusion, ce travail met en exergue l’application prometteuse des catalyseurs Fe-N-C à la cathode de piles AEMFC, afin de s’affranchir des catalyseurs à base de métaux précieux.