Développement et caractérisation de nouveaux matériaux d'électrodes à base de graphite pour la réaction de dégagement d'hydrogène en milieux alcalins

Avec l'épuisement des hydrocarbures, le monde industriel se trouve confronté à des problèmes d'approvisionnement énergétique à long terme. De même, la problématique environnementale reliée à l'utilisation massive de cette ressource non renouvelable a conduit au développement d'énergies dites alternatives. Parmi celles-ci, l'hydrogène constitue un candidat de choix à titre d'énergie propre et dont la ressource est renouvelable, dans le cas où celle-ci provient de l'électrolyse de l'eau. Le développement de nouveaux électrocatalyseurs plus performants pourra éventuellement abaisser les coûts de production à un niveau suffisant pour permettre l'exploitation de l'hydrogène à grande échelle. Cette thèse se situe donc comme une contribution au développement de ces matériaux qui seront éventuellement utilisés soit pour la réaction de dégagement d'hydrogène (ROH) ou la production par électrohydrogénation catalytique de molécule comme vecteur de transport de l'hydrogène. Le développement récent d'un polymère inorganique de phosphate de lanthane a permis de lier des poudres de graphite avec une stabilité mécanique suffisante pour permettre la réalisation d'électrocatalyseurs viables. Cette percée a permis, dans un premier temps, la détermination des propriétés électrocatalytiques de poudres de graphite ayant au préalable subies l'insertion de métaux de transitions. Les performances exceptionnelles pour la ROH de ces matériaux fabriqués à partir de poudres de graphite commerciales contenant de très faibles quantités de ruthénium, de rhodium ou de platine ont confirmé le potentiel des poudres de graphite en tant que matrice de matériaux hautement dispersés. Une étude ultérieure a porté sur la discrimination des sites actifs pour la réaction de dégagement d'hydrogène sur des matériaux fabriqués à partir de poudres de graphite ayant du platine, ou bien dispersé à la surface des particules, ou bien sous forme d'inclusions d'agrégats dans le graphite même. Cette étude semble démontrer que, dans le cas des composés d'inclusions, une partie du platine située vraisemblablement à l'intérieur du réseau n'est pas disponible pour l'électrocatalyse. Par ailleurs, une section de la présente thèse porte sur le développement de nouveaux moyens d'obtenir une dispersion fine de métaux de transition sur la surface d'une poudre de graphite. Pour ce faire, nous avons mis au point une technique de déposition sous vide de métaux catalytiques sur un substrat de poudre maintenu en suspension par vibration électromécanique. Les résultats électrochimiques préliminaires confirment l'excellent potentiel de dispersion des métaux obtenu par cette méthode. De manière à accroître notre compréhension du mécanisme de déposition sous vide, en vue d'une éventuelle optimisation du procédé, nous avons dans un premier temps entrepris la caractérisation détaillée des particules de graphite utilisées comme substrat. Les résultats obtenus par microscopie de force atomique ont révélé que les particules pouvaient être considérées comme un assemblage de plans graphitiques (très proche des caractéristiques de surface d'un graphite pyrolitique hautement orienté) et de bordures irrégulières. Enfin, c'est en se basant sur les théories couramment admisent dans le domaine de la thermovaporisation, concernant l'influence de la rugosité du substrat sur la qualité (finesse) de la dispersion d'un métal déposé par effet Joule, que nous avons entrepris une étude sur les modifications de surfaces des substrats par bombardement ionique. Le substrat idéal pour ce genre d'étude s'est révélé être le graphite pyrolitique hautement orienté (GPHO). Une première étude sur les propriétés électrochimiques du GPHO a permis de démontrer que la rugosité presque nulle du plan graphitique était associée à une très faible capacité de la double couche électrochimique. Dans un second temps, nous avons établi clairement que la rugosité, et de ce fait la capacité de double couche d'un tel substrat augmente de façon linéaire en fonction du temps où le substrat est exposé à un bombardement ionique par plasma. Ces études pourront être éventuellement appliquées à la thermovaporisation sur un substrat de poudres de graphite