<p dir="ltr">This study investigates the electrochemical behavior of molybdenum disulfide (MoS₂) when utilized as an anode material in Li-ion batteries, particularly focusing on the intriguing phenomenon of extra capacity observed beyond theoretical expectations and the unique discharge curve of the first cycle. Employing a robust suite of advanced characterization methods such as in situ and ex situ X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and transmission electron microscopy (TEM), the research unravels the complex structural and chemical evolution of MoS₂ throughout its cycling process. A pivotal discovery of the research is the identification of a distinct lithium intercalation mechanism in MoS₂, which leads to the formation of reversible Li_xMoS₂. These phases play a crucial role in contributing to the extra capacity observed in the MoS₂ electrode. Additionally, density functional theory (DFT) calculations have been utilized to explore the potential for overlithiation within MoS₂, suggesting that Li₅MoS₂ could be the most energetically favorable phase during the lithiation-delithiation process. This study also explores the energetics of a Li-rich phase forming on the surface of Li₄MoS2, indicating that this configuration is energetically advantageous and could contribute further to the extra capacity. The incorporation of reduced graphene oxide (RGO) as a conductive additive in MoS₂ electrodes, demonstrating that RGO notably improves the electrochemical performance, rate capability, and durability of the electrodes. These findings are supported by experimental observations and are crucial for advancing the understanding of MoS₂ as a high-capacity anode material. The implications of this research are significant, offering a pathway to optimize the design and composition of electrode materials to exceed traditional performance and longevity limits in Li-ion batteries.</p>

L’aluminium primaire est produit à partir du procédé électrolytique Hall-Héroult qui nécessite des anodes de carbone pour véhiculer le courant et fournir la source de carbone pour la réaction. La qualité des anodes influence les performances dans les cuves. Or, l’augmentation de la variabilité des matières premières rend la fabrication d’anodes de bonne qualité de plus en plus difficile. L’objectif de ce projet est d’améliorer le contrôle de qualité des anodes avant la cuisson à l’aide de mesures de résistivité électrique. À partir de méthodes statistiques multivariées, les mesures ont été utilisées dans deux optiques différentes : prédictive et explicative. L’optimum de brai qui est défini comme étant la quantité optimale de brai menant aux meilleures propriétés de l’anode pour un mélange d’agrégats donné change plus fréquemment avec l’accroissement de la variabilité de la matière première. Le dépassement de l’optimum peut engendrer des problèmes de collage lors de la cuisson. Un capteur virtuel conçu à partir d’un modèle d’analyse en composantes principales a permis de montrer qu’un bris dans la structure de corrélation mesuré par l’erreur de prédiction (SPE) semble se produire lorsque les anodes ont un risque de coller lors de la cuisson. Son application sur des données d’optimisation de brai a aussi été réalisée. Afin d’améliorer la compréhension des paramètres influençant la résistivité de l’anode, un modèle par projection des moindres carrés partiels en blocs séquentiels (SMB-PLS) a été développé. Il a permis d’expliquer 54 % des variations contenues dans les mesures de résistivité à partir des données opératoires, de matières premières et de formulation. Son interprétation a montré que la variabilité de la résistivité de l’anode verte est principalement causée par les matières premières utilisées et que les relations observées sont conformes avec la littérature et les connaissances du procédé. / Primary aluminum is produced through the Hall-Héroult process. Carbon anodes are used in this electrolytic process to provide the carbon source for the reaction and to distribute electrical current across the cells. Anode quality influences cell performance. However,increasing raw material variability has rendered the production of high-quality anodes more difficult. The objective of this project is to improve carbon anode quality control before baking by using anode electrical resistivity measurements. Multivariate statistical methods were applied to create two types of models: predictive and explanatory. For a given aggregate, the optimum pitch demand (OPD) is the amount of pitch that yields the best anode properties. High raw material variability causes the OPD to change more frequently, which makes it difficult to add the correct amount of pitch. This can lead to post-baking sticking problems when the optimum is exceeded. A soft sensor was developed based on a principal component analysis (PCA). The integrity of the correlation structure,as measured by the Squared Prediction Error (SPE), appears to break down during high-risk periods for anode sticking. The soft sensor was also tested on data collected during pitch optimization experiments.A sequential multi-block PLS model (SMB-PLS) was developed to determine which parameters influence anode resistivity. Raw material properties, anode formulation and process parameters collectively explain 54 % of the variability in the anode resistivity measurements.The model shows that coke and pitch properties have the greatest impact on green anode electrical resistivity. In addition, the main relationships between process variables implied by the model agree with the relevant literature and process knowledge.

La production mondiale d’aluminium, produit via le procédé Hall Héroult, est actuellement autour de 60000 tonnes annuellement. Ce procédé a principalement conservé le concept original développé en 1886. Les anodes de carbone précuites utlisées dans ce procédé représentent une part importante du design des cellules d’électrolyse de l’aluminium. Les anodes font partie de la réaction chimique de la réduction de l’alumine et sont consommées lors du processus d’électrolyse. De ce fait, le niveau de consommation et la qualité des anodes ont un effet direct sur la performance des alumineries dans le marché extrêmement compétitif de la production d’aluminium. Bien que le processus et le design des anodes datent de 130 ans, l’effet des propriétés des matières premières sur la qualité finale des anodes n’est pas tout à fait maîtrisé, nécessitant ainsi des recherches approfondies. Les anodes de carbone sont composées de particules de coke, de pitch et de mégots d’anodes. Le pitch à la température de mélange et de formage est un liquide. Par conséquent, le mélange est une pâte de coke et des agrégats de mégots et pitch agissant comme liant. Le comportement de l'écoulement et du compactage de ce mélange en raison de la coexistence d'une variété de paramètres physiques, chimiques et mécaniques sont des phénomènes complexes. Compte tenu de l'importance des anodes de haute qualité et de longue durée en performance et donc l'économie des cellules de réduction, sous-estimer et prédire les propriétés finales des anodes sont très importantes pour les fonderies. La modélisation numérique dans des problèmes aussi complexes peut fournir un laboratoire virtuel où les effets de différents paramètres de processus ou des matériaux sur la qualité de l'anode peuvent être étudiés sans risquer la performance du pot. Toutefois, le choix de la méthode numérique est une décision critique qui doit être prise en fonction de la physique du problème et de l'échelle géométrique des problèmes étudiés. La méthode des éléments discrets (DEM) est utilisée dans ce travail de recherche pour modéliser les deux phases de la pâte d’anode; les agrégats de coke et le brai de pétrole. Dans cette partie du travail, les modèles DEM d’agrégats de coke sont utilisés pour simuler les tests de densité en vrac vibrée des particules de coke et pour révéler les paramètres impliqués. De par sa nature, la DEM est idéale pour étudier les contacts entre particules. Les résultats de ces travaux seront ensuite utilisés pour proposer de nouvelles recettes d’agrégats secs avec une densité en vrac supérieure. La résistivité électrique de lits de particules a été mesurée expérimentalement. Les informations sur les contacts entre particules obtenues à partir des modèles numériques ont été utilisées pour expliquer la résistivité électrique de lits de particules avec différentes distribution de tailles de particules. Les résultats ont montré que lorsque le nombre de contacts par unité de volume augmente dans un échantillon, la résistivité électrique augmente aussi. La densité compactée du lit de particules a aussi une influence sur le passage de courant dans les matériaux granulaires. D’après les résultats obtenus, conserver la densité de contacts aussi basse que possible est bénéfique pour la conductivité électrique s’il n’a pas d’impact négatif sur la densité compactée. Le brai de houille est un matériau viscoélastique à température élevée. Dans ce travail, les propriétés rhéologiques du brai et de la matrice liante (brai + particules fines de coke) ont été mesurées expérimentalement en utilisant un rhéomètre à cisaillement dynamique à 135, 140 145 et 150 °C. Le modèle de Burger à quatre éléments est alors utilisé pour modéliser le comportement mécanique du brai à 150 °C. Le modèle vérifié est alors utilisé pour étudier les propriétés rhéologiques du brai et du mélange coke /brai à 150 °C. Le modèle de Burger calibré démontre une bonne prédiction des propriétés viscoélastiques du brai et de la matrice liante à différentes températures. Les résultats obtenus montrent que, considérant la physique du problème, la méthode des éléments distincts est une technique de simulation numérique adaptée pour étudier les effets des matières premières sur les propriétés mécaniques et physiques des mélanges coke /brai. / Global aluminum production now is around 60 000 metric tonnes, annually, which is produced by the Hall-Héroult process. The process has mostly kept the original concept developed in 1886. Pre-baked carbon anodes are an important part of the design of aluminum smelting cells. Anodes are part of the chemical reaction of alumina reduction and are consumed during the process. Thus, quality and properties of anodes have direct effects on the performance and economy of the aluminum production in today’s highly competitive market. Although the design of anodes goes back to 130 years ago, effects of raw materials properties on final quality of anodes still need to be investigated. Anodes are composed of granulated calcined coke, binder pitch and recycled anode butts. Pitch at temperatures of mixing and forming steps is a liquid. Hence the mixture is a paste of coke and butts aggregates with pitch acting as binder. Flow and compaction behavior of this mixture, because of the co-existence of a variety of physical, chemical and mechanical parameters are complicated phenomena. Given the importance of high quality and long lasting anodes in performance and so the economy of the reduction cells, understating and predicting the final properties of anodes are very important for smelters. Numerical modeling in such complicated problems can provide a virtual laboratory where effects of different materials or process parameters on anode quality index can be studied without risking the pot performance. However, the choice of the numerical framework is a critical decision which needs to be taken according to the physics of the problem and the geometrical scale of the investigated problems. Discrete Element Method (DEM) is used in this research work to model the anode paste. In the first step, DEM models of coke aggregates are used to simulate the vibrated bulk density test of coke particles and to reveal the parameters involved. As a micromechanical model, DEM provides a unique opportunity to investigate the particle-particle contacts. The developed DEM models of coke aggregates were then used to propose a new dry aggregates recipe exhibiting higher packing density. Packing density of coke aggregates has direct effect on the baked density of anodes. High density is a very favorable anode quality index as it has positive effects on mechanical strength, and consumption rate of anodes in the cell. Electrical resistivity of bed of particles was experimentally measured. Particle-particle contacts information obtained from numerical models were used to explain the electrical resistivity of samples with different size distribution. Results showed that the increase in the number of contacts in volume unit of a sample increases, the electrical resistivity of the particle bed. Packing density also influences the electrical current transfer in granular systems. According to the obtained results, keeping the contacts density as low as possible is beneficial for electrical conductivity if it does not have a negative effect on packing density. Pitch is a viscoelastic material at elevated temperatures. In the present work, rheological properties of pitch and binder matrix (pitch+fine coke particles) were experimentally measured using a dynamic shear rheometer at 135, 140, 145 and 150 ºC. Four-element Burger’s model is then used to model the mechanical behavior of pitch and binder matrix. The verified model is then used to investigate the rheological properties of pitch and coke/pitch mixtures at 150 ºC. Calibrated Burger’s model showed to have a good prediction of viscoelastic properties of pitch and binder matrix at different temperatures. Obtained numerical results showed that available empirical equations in the literature fail to predict the complex modulus of mixtures of pitch and coke particles. As pitch has viscoelastic response and coke particles have irregular shapes, rheology of this mixture is more complicated and needs well-tailored mathematical models. Complex modulus of pitch decreases by increasing the temperature from 135 to 150 ºC, this makes easier the coke/pitch mixtures to flow. DEM modeling showed that the mixture gets a better compaction and so lower porosity by vibro-compacting at higher temperatures. The ability of pitch to penetrate to inter-particle voids in the porous structure of bed of coke particles was also shown to be improved by temperature. Final anode structure with less porosity and so high density is favorable for its mechanical strength as well as its chemical reaction in the cell as Based on the obtained results and considering the physics of the problem, it can be said that discrete element method is an appropriate numerical simulation technique to study the effects of raw materials and the anode paste formulation on mechanical and physical properties of coke/pitch mixtures. The platform created in the course of this research effort, provides a unique opportunity to study a variety of parameters such as size distribution, shape and content of coke particles, content and rheological properties of pitch on densification of coke/pitch mixtures in vibro-compaction process. Outputs of this thesis provide a better understanding of complicated response of anode paste in the forming process.

La qualité de l'anode, particulièrement du point de vue de la résistivité électrique, est primordiale pour l'industrie de l'aluminium. Plus la résistivité électrique est faible, moins l'énergie serait perdue lors de l’opération. Le but du présent projet est donc d'évaluer la qualité de l'anode de ce point de vue. L’anode est composée de trois phases; particules de coke, matrice liant (pitch) et des porosités ou des fissures. La résistivité électrique de l'anode est fortement affectée par la taille (la distribution de taille) et la forme (la distribution de forme) de ces phases. Par conséquent, il est essentiel de comprendre les mécanismes de conduction de l'anode et de mettre en évidence l'effet de la microstructure de l'anode sur sa résistivité électrique. Dans la présente étude, nous avons essayé de créer une carte de résistivité électrique (ou conductivité) de l'anode et de la corréler avec la répartition de différentes phases. La possibilité d'utiliser de la tomographie par résistance électriques (ERT) a été évaluée en tant qu’une méthode pour cartographier la distribution de la résistivité électrique. La carte est une image de la distribution de la résistance électrique en 2-D des tranches d’anode. ERT est un processus d'estimation de la résistivité à partir des mesures de tension sur un domaine d'intérêt. Le procédé ERT consiste à mettre une série d’électrodes sur la surface de la pièce, puis injecter le courant dans une paire d’électrode et mesurer la tension des autres électrodes. Le processus continue jusqu'à ce que chaque électrode soit considérée une fois comme électrode d'injection. Alors que les tensions mesurées fournissent une matrice des mesures, le potentiel électrique à l'intérieur du matériau est calculé en utilisant la méthode des éléments finis (FEM). En comparant les tensions mesurées et calculées et en minimisant l'erreur des algorithmes de reconstruction, l'image de la conductivité est obtenue. Les images électriques par ERT ont été comparées avec des images obtenues par la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie de la Fluorescence de Rayons X (XRF). La comparaison a montré une certaine corrélation entre la répartition des phases dans l'anode de carbone et sa carte de la distribution de la résistance électrique. / The quality of anode especially from electrical resistivity aspect is important to the aluminum industry. The higher the current can pass through the anode by the means of lower electrical resistivity, the lower the energy would be lost. The purpose of present project is to evaluate the quality of anode from the electrical properties point of view. Anode consists of three phases; coke particles, binder matrix (pitch) and porosities or cracks. The electrical resistivity of anode is highly affected by the size (size distribution) and shape (shape distribution) of these phases. Therefore, it is essential to understand the conduction mechanisms of anode and to reveal the effect of anode microstructure on its electrical resistivity. In the present study, we attempted to create a map of electrical resistivity (or conductivity) of anode regarding the distribution of the phases. Feasibility of using Electrical Resistance Tomography (ERT) was assessed as a method for mapping the electrical resistivity distribution in carbon anode. The map is a computed image of the distribution of electrical resistance in 2-D slice through a conducting region. ERT is a process of estimating from voltage measurements at the domain of interest. ERT method involves with putting electrodes at the boundary, injecting the current to each pair and measuring the voltage from the remaining ones until each electrode once considered as the injecting electrode. While the measured voltages provide a matrix of measurements, the electrical potential inside the material would be calculated using the Finite Element Method (FEM). By comparing the measured and calculated voltages and minimizing the error and utilizing reconstruction algorithms, the conductivity image of the desired surface will be obtained. In the final analysis, the electrical images by ERT were evaluated using SEM microscope and XRF analysis. The comparison suggested a good correlation between the electrical images and the distribution of the phases in carbon anode.

La stratégie actuelle de contrôle de la qualité de l’anode est inadéquate pour détecter les anodes défectueuses avant qu’elles ne soient installées dans les cuves d’électrolyse. Des travaux antérieurs ont porté sur la modélisation du procédé de fabrication des anodes afin de prédire leurs propriétés directement après la cuisson en utilisant des méthodes statistiques multivariées. La stratégie de carottage des anodes utilisée à l’usine partenaire fait en sorte que ce modèle ne peut être utilisé que pour prédire les propriétés des anodes cuites aux positions les plus chaudes et les plus froides du four à cuire. Le travail actuel propose une stratégie pour considérer l’histoire thermique des anodes cuites à n’importe quelle position et permettre de prédire leurs propriétés. Il est montré qu’en combinant des variables binaires pour définir l’alvéole et la position de cuisson avec les données routinières mesurées sur le four à cuire, les profils de température des anodes cuites à différentes positions peuvent être prédits. Également, ces données ont été incluses dans le modèle pour la prédiction des propriétés des anodes. Les résultats de prédiction ont été validés en effectuant du carottage supplémentaire et les performances du modèle sont concluantes pour la densité apparente et réelle, la force de compression, la réactivité à l’air et le Lc et ce peu importe la position de cuisson. / The aluminum manufacturing process is highly influenced by the anode quality. Several factors affect the anode quality and the actual quality control strategy is inadequate to detect faulty anodes before setting them in the electrolytic cells. A soft-sensor model developed from historical carbon plant data and multivariate statistical methods was proposed in past work to obtain quick predictions of individual anode properties right after baking for quality control purposes. It could only be used for anodes baked at the coldest and hottest positions within the furnace due to the core sampling strategy used at the partner’s plant. To complement the soft-sensor, this work proposes a method for taking into account the thermal history of anodes baked at eventually any position and to allowing for the prediction of properties for all anodes. It is shown that combining categorical variables for pit and baking positions and routinely available firing equipment data is sufficient for predicting the temperature profiles of anodes baked in different positions (measured during pit surveys) and account for its impact on anode properties. Prediction results were validated using core sampling and good performance was obtained for LC, apparent and real density, compressive strength and air reactivity.

De nouveaux alliages Zn-TR1-5 %mass.(TR = Ce, La et Mischmetal : Ce 75%/La25%) ont été synthétisés par fusion sous atmosphère contrôlée et coulés sous forme de plaques. Dans ces nouveaux matériaux, les terre rare sont localisées exclusivement dans des phases intermétalliques dispersées de manière homogène dans la matrice de zinc : Zn11Ce, Zn13La ou Zn11Ce1-xLax and Zn13CeyLa1-y. Le comportement électrochimique de ces nouveaux alliages a été étudié dans un milieu corrosif de référence simulant les conditions atmosphériques. En parallèle, les phases intermétalliques pures Zn11Ce and Zn13La ont été synthétisées et leur influence électrochimique a été évaluée par voltamétrie et couplage galvanique. Les résultats montrent que les deux phases intermétalliques sont des sites cathodiques préférentiels de la réduction du dioxygène et induisent une inhibition cathodique de la corrosion des alliages Zn-TR par rapport au zinc pur. Ce phénomène est plus marqué dans le cas des alliages au lanthane. Dans le cas spécifique des alliages au cérium, une inhibition anodique a également été observée et corrélée avec une modification chimique des produits de corrosion (composés majoritairement d'hydrozincite). En fait, une faible quantitéhomogène de cérium a pu être mise en évidence dans la couche de corrosion par spectrométrie dispersive en longueur d'onde. D'après les résultats d'expériences de précipitation contrôlée de sels de cérium et zinc en milieu carbonaté, la présence de cérium dans la couche de corrosion et son caractère protecteur pourraient être attribués à la formation d'un composé mixte double lamellaire zinc-cérium. L'addition de moins de 2%mass. de cérium ou lanthane permet d'améliorer la résistance à la corrosion du zinc. Cependant, lorsque la teneur en terre-rare augmente, l'effet de couplage galvanique devient plus important et rend les alliages moins résistants que le zinc pur / New Zn-RE1-5 wt.% alloys (RE=Ce, La and Mischmetal: Ce 75%/ La 25%) were synthesized by melting under controlled atmosphere and cast in plates. In these materials, rare earth metal are exclusively present in intermetallic phases homogeneously dispersed in the zinc matrix: Zn11Ce, Zn13La or Zn11Ce1-xLax and Zn13CeyLa1-y. The electrochemical behavior of these new alloys was investigated in a reference corrosivemedium. In parallel, the pure intermetallic phases Zn11Ce and Zn13La were synthesized and their electrochemical influence was studied by voltametry and galvanic coupling. Results show that both intermetallic phases act as preferential cathodic sites of dioxygen reduction and induce a cathodic inhibition of the corrosion of the Zn-RE alloys by comparison with pure zinc. This phenomenon is much more significant in the case of lanthanum containing alloys. In the specific case of cerium addition to zinc, an anodic inhibition was also observed and correlated with a chemical modification of the corrosion products (mainly made of hydrozincite). Actually, low quantities of cerium (less than 1 at.%) have been detected homogeneously in the corrosion layer by wave-length dispersive spectrometry. From results of controlled precipitation experiments of cerium and zinc salts performed in carbonated medium, the presence of cerium in the corrosionlayer and its protective character could be attributed to the formation of a mixed double lamellar zinc-cerium product. Therefore, addition to zinc of less than 2 wt.% of cerium or lanthanum allow to improve the corrosion resistance of zinc. However, by increasing the rare earth content in the alloys, the galvanic coupling phenomenon becomes more important and makes the alloys less resistant than pure zinc

Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της ελεύθερης χημικής ενέργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική. Οι κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (ΡΕΜ) αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία που βρίσκεται κοντά στο στάδιο της εμπορευματοποίησης. Το κυριότερο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το υδρογόνο, το οποίο παράγεται συνήθως από αναμόρφωση υδρογονανθράκων ή αλκοολών. Το μονοξείδιο του άνθρακα που παράγεται επίσης κατά την διαδικασία της αναμόρφωσης αποτελεί ένα σημαντικό άλυτο πρόβλημα στις κυψέλες ΡΕΜ, καθώς η ρόφησή του στην άνοδο της κυψέλης προκαλεί την υποβάθμιση της λειτουργίας της. Το φαινόμενο της ηλεκτροχημικής ενίσχυσης συνίσταται στην μη-φαρανταϊκή τροποποίηση της ενεργότητας ενός καταλύτη που βρίσκεται σε επαφή με έναν στερεό ηλεκτρολύτη, ως αποτέλεσμα της μετακίνησης προωθητικών ειδών από τον ηλεκτρολύτη προς την καταλυτική διεπιφάνεια μετάλλου/αερίου, που προκαλείται από την επιβολή ρεύματος ή δυναμικού μεταξύ του καταλύτη και ενός ηλεκτροδίου αναφοράς. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η ηλεκτροχημική ενίσχυση της οξείδωσης μίγματος αναμόρφωσης μεθανόλης από ανόδους πλατίνας και χρυσού μίας κυψέλης ΡΕΜ. Αποδείχθηκε πως η ηλεκτροχημική ενίσχυση επηρεάζεται σημαντικά από το διαχεόμενο διαμέσου της πολυμερικής μεμβράνης οξυγόνο, όπως επίσης και από τις συνθήκες λειτουργίας της κυψέλης καυσίμου. Επίσης μελετήθηκε η ηλεκτρική απόδοση ανόδων πλατίνας και χρυσού παρουσία CO. Προσδιορίστηκαν οι τιμές της ενθαλπίας ρόφησης του CO στα ηλεκτρόδια πλατίνας και χρυσού, καθώς και οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης της απομάκρυνσης του CO από το κάθε ηλεκτρόδιο. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στο φαινόμενο της πολλαπλότητας μονίμων καταστάσεων κατά την λειτουργία κυψελών ΡΕΜ. Παρατηρήθηκε εξασθένηση του φαινομένου με την αύξηση της θερμοκρασίας, σε συμφωνία με τις προβλέψεις του μοντέλου γ. / Fuel cells are electrochemical devices which convert chemical energy of a fuel directly to electricity. Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells are close to commercialization. The most common fuel used is hydrogen, which is usually produced via hydrocarbons or alcohol reforming. However, during this process, carbon monoxide is formed as well, adsorbs strongly on the anode of the cell and thus impairs significantly its performance. The electrochemical promotion effect is a phenomenon where application of constant current or potential between a catalyst supported on a solid electrolyte and a reference electrode, leads to non-Faradaic changes in catalytic activity. In this thesis, it was studied the electrochemical promotion of oxidation of a methanol reformate mixture on platinum and gold anodes of a PEM fuel cell. It was found that electrochemical promotion is influenced by oxygen crossover through the polymer membrane and also by the cell operating conditions. Moreover, the electrical efficiency of platinum and gold anodes in presence of CO was studied and the values of the heat of CO adsorption on each anode and the activation energies of CO removal were estimated. Finally, the effect of temperature on the phenomenon of steady-state multiplicities was studied. It was found that increasing the temperature, the phenomenon of multiplicities is suppressed in agreement with the gama model.

<p align="justify">Plusieurs métaux de notre vie courante sont obtenus industriellement au moyen de procédés électrolytiques. Un des procédés les plus communs est l’électro-obtention de cuivre, dans lequel le métal est déposé à la cathode tandis que l'oxygène se dégage à l'anode. Généralement, en usine, plusieurs anodes et cathodes, ayant une surface de 1 m2 et séparées par plus ou moins 10 cm sont alternées dans une cellule contenant une solution d'acide sulfurique riche en sulfate de cuivre. En fonction des conditions d'utilisation, les cathodes sont remplacées, après un certain temps, par des nouvelles de façon à récupérer le cuivre déposé. De ce fait, les anodes doivent être capables de résister sans se corroder, se déformer ou perdre leurs propriétés électrocatalytiques pendant de longues périodes. Au début, des alliages en Pb (pb-Ag, Pb-Ca-Sn,) ont été utilisés comme anodes. Malheureusement, malgré leur faible prix, ces anodes présentent des surtensions élevées et une faible résistance à la corrosion et au fluage. Par conséquent, une alternative aux anodes traditionnelles en 1 développée. Ce nouveau type d'anode, connu sous le nom d’anode dimensionnellement stable (DSA) est fabriquée à partir d'une tôle en Ti recouverte par un mélange d'oxydes de métaux nobles catalysant la réaction de dégagement d'oxygène. Différentes techniques peuvent être utilisées pour préparer la couche d'oxyde. La technique la plus souvent employée consiste à décomposer thermiquement une solution de chlorures contenant un ou plusieurs nobles. Malheureusement, ce type d'anode est cher et a tendance à perdre son activité électrocatalytique avec le temps.</p><p><p align="justify">Dans le but de produire une DSA à faible prix, pouvant résister de longues périodes sans se passiver, un nouveau type de DSA a été développé dans le présent travail. Cette anode est produite par électrodépôt d'un métal noble dans les pores d'un substrat microporeux en Ti/TiO2.</p><p><p align="justify">Ce travail a permis de démontrer qu'une DSA avec une concentration en métal noble peut être obtenue par la voie proposée. Il a été montré que les propriétés électriques et électrochimiques de ces DSAs sont directement liées aux caractéristiques morphologiques et structurales du en Ti/TiO2. Lorsque la couche barrière existant au fond des pores est suffisamment fine et que le film présente des défauts, la résistance me l'interface Ti/métal noble est faible. Ceci abouti à des DSAs possédant d'excellentes propriétés électrocatalytiques. Les DSAs optimales sont capables de résister à des conditions similaires à celles employées en industrie avec des surtensions de ~ 0.4 V, ce qui représente un gain de 50% par rapport aux surtensions normalement atteintes par les anodes traditionnelles en Pb.</p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

[ES] La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio del comportamiento electroquímico de nuevos electrodos cerámicos basados en SnO2 dopado con Sb2O3. El estudio está orientado a la posterior aplicación de estos electrodos en procesos electroquímicos de oxidación avanzada. Inicialmente, se consideraron diferentes temperaturas de sinterización (entre 1050°C y 1250°C) y se observó que un aumento en la temperatura de sinterización favorecía la deposición del Sb2O3 en la superficie anódica, disminuyendo así la resistividad del electrodo. Posteriormente, se estudió el comportamiento electroquímico de estos nuevos electrodos obteniendo el potencial de descarga del oxígeno mediante la técnica de voltametría de barrido lineal. Los resultados obtenidos revelaron que el valor del potencial de descarga del oxígeno disminuye con el aumento de la temperatura de sinterización. Además, estos electrodos presentaron un comportamiento intermedio entre el ánodo de Pt y el ánodo de BDD. Este último electrodo se emplea habitualmente en los procesos electroquímicos de oxidación avanzada debido a su elevada capacidad para generar radicales hidroxilo, los cuales son capaces de oxidar los compuestos orgánicos a dióxido de carbono y agua. A continuación, se llevaron a cabo ensayos de oxidación electroquímica con estos electrodos cerámicos para seleccionar la temperatura de sinterización. Los resultados mostraron que con el electrodo cerámico sinterizado a 1250°C se alcanza una menor degradación del compuesto orgánico, mientras que los electrodos sinterizados a menores temperaturas presentan un comportamiento similar entre ellos. Por tanto, se seleccionó el electrodo cerámico sinterizado a 1200°C ya que presenta una baja resistividad y un buen comportamiento electroquímico para ser utilizado como ánodo en los procesos electroquímicos de oxidación avanzada. Seguidamente se analizó la vida útil de estos electrodos cerámicos, y se comprobó que la matriz cerámica incrementa en gran medida la estabilidad a la polarización anódica de los electrodos basados en SnO2. Posteriormente, se llevaron a cabo procesos de electro-oxidación en modo galvanostático de distintos contaminantes difíciles de eliminar por las técnicas convencionales utilizando como ánodo los nuevos electrodos cerámicos y el electrodo de BDD, para así poder comparar los resultados obtenidos. Se observó que, aunque con los electrodos cerámicos se consigue degradar el 100% de los distintos contaminantes, el electrodo de BDD es el más eficiente ya que genera mayor cantidad de especies oxidantes activas en su superficie. Para un mismo electrodo, se observó que un aumento en la densidad de corriente aplicada mejora la velocidad de degradación y mineralización de cada contaminante, mientras que la eficiencia eléctrica disminuye. Por otro lado, se estudió el efecto de la presencia de una membrana de intercambio catiónico entre ánodo y cátodo. Los resultados mostraron que el uso de la membrana beneficia la degradación y la mineralización del contaminante, ya que mejora la cinética de reacción anódica y evita la reducción de las especies oxidantes electrogeneradas. A continuación, se analizó la influencia de la concentración del Na2SO4 como electrolito soporte. En este estudio se observó que un aumento en la concentración del Na2SO4 mejora la mineralización del contaminante para el electrodo de BDD y, por el contrario, empeora para el electrodo cerámico. Esto se debe a la capacidad de cada electrodo para oxidar los sulfatos a persulfatos. Por último, se llevaron a cabo ensayos de ecotoxicidad de las muestras tratadas, y se demostró que, en presencia de membrana, a mayor densidad de corriente y con el electrodo de BDD la toxicidad de la muestra es mayor debido a la mayor presencia en disolución de iones persulfato. Por tanto, con el electrodo cerámico, además de alcanzar un elevado grado de degradación del contamina / [CAT] La present Tesi Doctoral es centra en l'estudi del comportament electroquímic de nous elèctrodes ceràmics basats en SnO2 dopat amb Sb2O3. L'estudi està orientat a la posterior aplicació d'aquests elèctrodes en processos electroquímics d'oxidació avançada. Inicialment, es van considerar diferents temperatures de sinterització (entre 1050°C i 1250°C) i es va observar que un augment en la temperatura de sinterització afavoria la deposició de Sb2O3 en la superfície anòdica, disminuint així la resistivitat de l'elèctrode. Posteriorment, es va estudiar el comportament electroquímic d'aquests nous elèctrodes obtenint el potencial de descàrrega de l'oxigen mitjançant la tècnica de voltametria de passada lineal. Els resultats obtinguts van revelar que el valor del potencial de descàrrega de l'oxigen disminueix amb l'augment de la temperatura de sinterització. A més, aquests elèctrodes ceràmics van presentar un comportament intermedi entre l'ànode de Pt y l'ànode de BDD. Aquest últim elèctrode s'utilitza habitualment en els processos electroquímics d'oxidació avançada a causa de la seua elevada capacitat per a generar radicals hidroxil, els quals són capaços d'oxidar els compostos orgànics a diòxid de carboni i aigua. A continuació, es van dur a terme assajos d'oxidació electroquímica amb aquests elèctrodes ceràmics per a seleccionar la temperatura de sinterització. Els resultats van mostrar que amb l'elèctrode ceràmic sinteritzat a 1250°C s'aconsegueix una menor degradació del compost orgànic, mentre que els elèctrodes sinteritzats a menors temperatures presenten un comportament similar entre ells. Per tant, es va seleccionar l'elèctrode ceràmic sinteritzat a 1200 °C ja que presenta una baixa resistivitat i un bon comportament electroquímic per a ser utilitzat com a ànode en els processos electroquímics d'oxidació avançada. Seguidament, es va analitzar la vida útil d'aquests elèctrodes ceràmics, i es va comprovar que la matriu ceràmica incrementa en gran mesura l'estabilitat a la polarització anòdica dels elèctrodes basats en SnO2. Posteriorment es van dur a terme processos d'electro-oxidació en mode galvanostàtic de diferents contaminants difícils d'eliminar per les tècniques convencionals utilitzant com a ànode els nous elèctrodes ceràmics i l'elèctrode de BDD, per a així poder comparar els resultats obtinguts. Es va observar que, encara que amb els elèctrodes ceràmics s'aconsegueix degradar el 100% dels diferents contaminants, l'elèctrode de BDD és el més eficient ja que genera una major quantitat d'espècies oxidants actives en la seua superfície. Per a un mateix elèctrode, es va observar que un augment en la densitat de corrent aplicada millora la velocitat de degradació i mineralització de cada contaminant, mentre que l'eficiència elèctrica disminueix. D'altra banda, es va estudiar l'efecte de la presència d'una membrana d'intercanvi catiònic entre ànode i càtode. Els resultats van mostrar que l'ús de la membrana beneficia la degradació i la mineralització del contaminant, ja que millora la cinètica de reacció anòdica i evita la reducció de les espècies oxidants electrogenerades. A continuació, es va analitzar la influència de la concentració del Na2SO4 com a electròlit suport. En aquest estudi es va observar que un augment en la concentració del Na2SO4 millora la mineralització del contaminant per a l'elèctrode de BDD i, per contra, empitjora per a l'elèctrode ceràmic. Això es deu a la capacitat de cada elèctrode per a oxidar els sulfats a persulfats. Finalment, es van dur a terme assajos d'ecotoxicitat de les mostres tractades, i es va demostrar que, en presència de membrana, a major densitat de corrent i amb l'elèctrode de BDD la toxicitat de la mostra és major a causa de la major presència en dissolució d'ions persulfat. Per tant, amb l'elèctrode ceràmic, a més d'aconseguir un elevat grau de degradació del con / [EN] The present Doctoral Thesis focuses on the study of the electrochemical behaviour of new ceramic electrodes based on SnO2 doped with Sb2O3. The study is oriented at the subsequent application of these electrodes in electrochemical advanced oxidation processes. Initially, different sintering temperatures were considered (between 1050°C and 1250°C) and it was observed that an increase in the sintering temperature favoured the deposition of Sb2O3 on the anodic surface, thus decreasing the resistivity of the electrode. Later, the electrochemical behaviour of these new electrodes was studied by means of the oxygen discharge potential using the linear sweep voltammetry technique. The results obtained revealed that the value of the oxygen discharge potential decreases with increasing the sintering temperature. Furthermore, these electrodes showed an intermediate behaviour between the Pt anode and the BDD one. This last electrode is commonly used in advanced electrochemical oxidation processes due to its high capacity to generate hydroxyl radicals, which are capable of oxidizing the organic compounds to carbon dioxide and water. Then, electrochemical oxidation tests were carried out with these ceramic electrodes to select the sintering temperature. The results showed that with the ceramic electrode sintered at 1250°C, a lower degradation and mineralization of the organic compound is achieved, while the electrodes sintered at lower temperatures showed a similar behaviour. Therefore, the ceramic electrode sintered at 1200°C was selected as it presents low resistivity good electrochemical behaviour to be used as anode in electrochemical advanced oxidation processes. Next, the service life of these ceramic electrodes was analyzed, and it was found that the ceramic matrix greatly increases the anodic polarization stability of the electrodes based on SnO2. Subsequently, electro-oxidation processes were carried out in galvanostatic mode for different contaminants that are difficult to remove by conventional techniques, using the new ceramic electrodes and the BDD electrode as anodes, in order to compare the results obtained. It was observed that ceramic electrodes can be used as anodes for electrochemical oxidation, since for high current densities it is possible to degrade a 100% of the different contaminants. However, the BDD electrode is the most efficient one since it generates more active oxidant species on its surface. For a given electrode, an increase in the current density improves the degradation and mineralization of each contaminant, while the electrical efficiency decreases. On the other hand, the effect of the presence of a cation-exchange membrane between anode and cathode was studied. The results showed that its use benefits the degradation and mineralization of the contaminants, since it improves the kinetics of the anodic reaction and avoids the reduction of the electrogenated oxidant species. Next, the influence of the concentration of Na2SO4 as supporting electrolyte was analyzed. In this study it was observed that an increase in the Na2SO4 concentration improves the mineralization of the contaminant for the BDD electrode and, on the contrary, worsens for the ceramic electrode. This is due to the ability of each electrode to oxidize sulfates to persulfates. Finally, ecotoxicity tests on the treated samples were carried out, and it was shown that, in the presence of the membrane, at higher current density and with the BDD electrode, the toxicity of the sample is greater due to the higher presence of persulfate ions. Therefore, with the ceramic electrode, in addition to achieving a high degree of contaminant degradation, the treated samples are less toxic than the samples treated with the BDD electrode. / Agradezco al Ministerio de Economía y Competitividad por la financiación recibida mediante los proyectos CTQ2015-65202-C2-1-R y RTI2018-101341-B-C21, y a la cofinanciación con los fondos FEDER, que han permitido llevar a cabo la investigación en la Universitat Politècnica de València para la realización de la presente Tesis. También agradecer a Sergio Mestre Beltrán por proporcionarnos los nuevos electrodos cerámicos en los que se ha basado este trabajo. / Mora Gómez, J. (2020). Eliminación de contaminantes orgánicos emergentes mediante procesos electroquímicos de oxidación avanzada [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/158751 / TESIS

O presente trabalho teve como objetivo a produção de ânodos de mistura de óxidos metálicos de composição nominal Ti/Ru0,3Ti0,7O2 utilizando um líquido iônico como solvente no preparo da solução precursora. A utilização deste tipo de solvente permite a síntese de materiais com morfologia e estrutura específicas, visto sua influência nas propriedades dos materiais. Neste trabalho foram utilizados líquidos iônicos baseados no imidazol, com o intuito de avaliar os efeitos do tamanho da cadeia carbônica ligada ao anel aromático heterocíclico, utilizando para comparação um eletrodo comercial (De Nora do Brasil). Por meio da caracterização física foi possível verificar que os eletrodos produzidos no laboratório apresentaram um filme mais compacto e com a formação de grânulos, o que indica um aumento na densidade de metais depositados. Além disso, o aumento na temperatura de calcinação favoreceu a deposição do óxido metálico catalítico (RuO2) na superfície do eletrodo ao se utilizar o hidrogenossulfato de 1-butilimidazólio ([HBIm]HSO4) como solvente na solução precursora. O eletrodo comercial apresentou uma área superficial superior aos eletrodos produzidos no laboratório, sendo a maior parte dessa área referente aos sítios internos desse eletrodo. O ânodo produzido utilizando [HBIm]HSO4 calcinado a 550 &deg;C apresentou 15% mais remoção do pesticida alaclor em meio de sulfato que o eletrodo comercial, além de um consumo energético 16% menor. No caso das eletrólises realizadas na presença de cloreto, houve uma menor remoção do pesticida, apesar da melhora na resposta eletroquímica dos eletrodos nesse meio. Esse desempenho negativo pode estar relacionado à geração de substâncias que apresentam aderência à superfície dos eletrodos durante o processo de oxidação, obstruindo parcialmente a superfície ativa. / The present work aims to the production of mixed metal oxide anodes with nominal composition Ti/Ru0,3Ti0,7O2 using an ionic liquid as solvent in the preparation of the precursor solution. The use of this type of solvent allows the synthesis of materials with specific morphology and structure, since their influence on the properties of the materials. In this work, ionic liquids based on imidazole were used in order to evaluate the effects of the carbon chain size bonded to the heterocyclic aromatic ring, using a commercial electrode (De Nora do Brasil) for comparison. By means of the physical characterization, it was possible to verify that the laboratory made electrodes presented a more compact film with formation of granules, which indicates an increase in the deposited metal density. Moreover, the increase in the calcination temperature favored the deposition of the catalytic metal oxide (RuO2) on the surface of the electrode by using 1-butylimidazolium hydrogen sulfate ([HBIm]HSO4) as the solvent in the precursor solution. The commercial electrode presented a surface area superior to the laboratory made anodes, being the greater part of that area referring to the internal sites of this electrode. The anode produced using [HBIm]HSO4 calcined at 550 &deg;C showed 15% more alachlor removal in sulfate medium than the commercial electrode, in addition to a 16% lower energy consumption. In the case of the electrolysis carried out in the presence of chloride, there was less pesticide removal, despite the improvement in the electrochemical response of the electrodes in this medium. This negative performance may be related to the generation of substances that have adhesion to the surface of the electrodes during the oxidation process, partially obstructing the active surface.