Development of innovative electrodes for the electrocatalytic conversion of small molecules

L'azote joue un rôle indispensable pour toute vie sur terre et pour le développement des êtres humains. À l'heure actuelle, la seule technologie de synthèse de l'ammoniac à l'échelle industrielle est le procédé mis au point par Haber et Bosch au début du XXe siècle, qui utilise les phases gazeuses N2 et H2. Cependant, le procédé Haber-Bosch nécessite des conditions difficiles, des équipements complexes et une consommation d'énergie élevée, et fonctionne avec de faibles taux de conversion, ce qui est incompatible avec les exigences d’un développement durable. Par rapport à la méthode Haber-Bosch, l'électrocatalyse est l'une des voies prometteuses qui permet d'intégrer l'électricité produite à partir de technologies d'énergies renouvelables pour la production d'ammoniac à température ambiante et à pression ambiante. Un défi spécifique est lié au développement de nouveaux électrocatalyseurs/électrodes dans le but de parvenir à une production d'ammoniac à faible coût, à grande échelle et délocalisée. Compte tenu ces défis scientifiques , ce travail de doctorat se concentre sur trois aspects principaux de la réaction électrocatalytique de réduction de l'azote (NRR) : i) ingénierie et conception de l'électrocatalyseur, ii) conception de l'électrode et de la cellule du dispositif électrochimique et iii) amélioration et optimisation des conditions de réaction, afin d'améliorer les performances de la synthèse de l'ammoniac. La plupart des activités de recherche de ce travail de doctorat sur la synthèse et la caractérisation des matériaux électrocatalytiques et l'assemblage/le test des électrodes dans des dispositifs électrochimiques non conventionnels ont été menées au laboratoire CASPE de l'université de Messine. En outre, une période de 12 mois a été passée en cotutelle avec l'École supérieure de chimie, physique, électronique de Lyon (CPE Lyon), où des voies de synthèse avancées ont été explorées pour la préparation d'électrocatalyseurs à base de composés organométalliques qui ont été utilisés comme électrodes plus actives dans la RRN. Cette thèse de doctorat est organisée en cinq grands chapitres. Le chapitre 1 se concentre sur les questions de fixation de l'azote et sur la description du processus industriel de Haber-Bosch, avec un aperçu des implications générales liées à ses besoins élevés en énergie. Le chapitre 2 fait référence aux matériaux électrocatalytiques développés pour la préparation des électrodes : 1) les matériaux hybrides organiques-inorganiques de type MOF, une classe de matériaux poreux très prometteurs pour leurs caractéristiques particulières de surface spécifique élevée et leurs propriétés ajustables ainsi que pour la possibilité de créer des sites catalytiques actifs spécifiques grâce aux groupes fonctionnels et aux centres d'ions métalliques ; 2) les MXènes, une classe de matériaux en carbure ou nitrure de métal à structure bidimensionnelle (2D), qui ont récemment suscité un grand intérêt pour un large éventail d'applications, notamment la catalyse et la fixation de N2, pour leurs propriétés uniques de conductivité métallique et de nature hydrophile des surfaces terminées par un hydroxyle ou un oxygène. Les chapitres 3 à 5 présentent et analysent les résultats expérimentaux. Le chapitre 3 concerne la préparation d'une série d'électrodes à base de Fe-MOF (Fe@Zn/SIM-1) et leur test dans la réaction NRR en utilisant un réacteur triphasé de pointe, fonctionnant en phase gazeuse. Dans le chapitre 4, une série de matériaux améliorés à base de Fe-MOF (incluant un dopage additionel par un métal alcalin du MOF UiO-66-(COOH)2), synthétisés par une technique de réaction d'échange de cations pour remplacer le proton de l'acide carboxylique par un cation de fer, sont présentés. Enfin, le chapitre 5 fait référence à l'exploration des matériaux avancés à base de MXène (Ti3C2 MXène) et à la tentative de synthèse d'une nanoarchitecture 3D à partir de catalyseurs à base de MXène en 2D.Nitrogen plays an indispensable role for all life on earth and for the development of human beings. Industrially, nitrogen gas is converted to ammonia (NH3) and nitrogen-rich fertilisers to supplement the amount of nitrogen fixed spontaneously by nature. At present, the only industrial-scale ammonia synthesis technology is the process developed by Haber and Bosch in the early 20th century using gas phase N2 and H2 as the feeding gases. However, the Haber-Bosch process requires harsh conditions, complex equipment and high energy consumption, and operates with low conversion rates, which are inconsistent with economic and social growing development requirements. Compared to the Haber-Bosch method, electrocatalysis is one of the promising routes that can integrate electricity produced from renewable energy technologies for the production of ammonia at room temperature and ambient pressure. A specific challenge is related to the development of novel electrocatalysts/electrodes with the aim to achieve a low-cost, large-scale and delocalized production of ammonia. In view of the above key scientific issues, this PhD work focuses on three main aspects of the electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR): i) engineering and design of the electrocatalyst, ii) electrode and cell design of the electrochemical device and iii) improvement and optimization of the reaction conditions, to enhance the performances of ammonia synthesis. Most of the research activities of this PhD work about synthesis and characterization of the electrocatalytic materials and assembling/testing of the electrodes in unconventional electrochemical devices were carried out at the laboratory CASPE (Laboratory of Catalysis for Sustainable Production and Energy) of the University of Messina. Moreover, during the three years, a period of 12 months was spent in cotutelle with the École supérieure de chimie, physique, électronique de Lyon (CPE Lyon), where advanced synthesis routes were explored for the preparation of organometallic-based electrocatalysts to be used as more active electrodes in NRR. The PhD thesis is organized in five main chapters. Chapter 1 focuses on N2 fixation issues and on describing the industrial Haber-Bosch process, with an overview of the general implications related to its high energy requirements. Chapter 2, instead, refers to the electrocatalytic materials developed in this PhD work for the preparation of the electrodes: 1) the Metal-organic Frameworks (MOFs), a class of porous materials very promising for their peculiar characteristics of high surface area, tunable properties, organic functionality and porosity, as well as for the possibility of creating specific catalytic active sites thanks to both the functional groups and the metal ion centres; 2) the MXenes, a class of metal carbide or nitride materials with a two-dimensional (2D) structure, which have recently attracted a large interest for a broad range of applications, including catalysis and N2 fixation, for their unique properties of metallic conductivity and hydrophilic nature of the hydroxyl or oxygen terminated surfaces. In Chapters 3-5, the experimental results are presented and discussed. Chapter 3 concerns the preparation of a series of Fe-MOF-based (Fe@Zn/SIM-1) electrodes and their testing in NRR by using an advanced engineered three-phase reactor, working in gas-phase. In Chapter 4, a series of improved Fe-MOF-based materials (Fe-based and Fe-alkali metal-based MOF UiO-66-(COOH)2), synthesized by cation exchange reaction technique to replace the proton of carboxylic acid with an iron cation, are presented. Finally, Chapter 5 refers to the exploration of advanced MXene materials (Ti3C2 MXene) and to the attempt of synthesizing a 3D nanoarchitecture starting from 2D-dimensional MXene-based catalysts