Structures semi-conductrices à base de NiTiO3, et l'étude de leurs propriétés dans le but de les appliquer en photocatalyse. Une étude théorique et des simulations numériques ont été effectuées pour analyser les propriétés électroniques, vibrationnelles et optiques de NiTiO3 massif ou sous forme de clusters nanométriques. Les poudres NiTiO3 ont été synthétisées par sol-gel par réaction en phase solide, tandis que les films minces ont été obtenus par pulvérisation cathodique rf-magnétron. Les caractérisations de leurs propriétés physiques confirment l'obtention de NiTiO3 polycristallin dans sa phase ilménite. La détermination du gap électronique à 2,25 eV suggère la faisabilité de mise en oeuvre des matériaux synthétisés comme photocatalyseurs actifs sous irradiation en lumière visible. Cette fonctionnalité a été testée par la dégradation du bleu de méthylène en solution aqueuse en utilisant les couches minces de NiTiO3 sous irradiation visible, atteignant la dégradation de 60% de la concentration initiale du colorant en 300 minutes. En outre, l'électro-oxydation du méthanol a été réalisée en appliquant une tension externe sur une électrode contenant des poudres NiTiO3 dans des milieux alcalins. Les ions de Ni présents dans le catalyseur ont été identifiés comme des espèces actives et que l'oxydation des molécules organiques se produit sur la surface des sites de Ni3+. En résumé, NiTiO3 a été synthétisé sous forme de poudres et de films minces ayant des caractéristiques appropriées pour la photocatalyse hétérogène efficace et les capacités catalytiques de NiTiO3 ont été démontrées sur la photodégradation du bleu de méthylène et l'électrooxydation de méthanol. / The thesis work is devoted to the synthesis of NiTiO3-based semiconductive structures, i.e. powders and thin films, and the investigation of their related properties with the aim of their applications in photocatalysis. Theoretical approach and numerical simulations of the electronic, vibrational and optical properties of bulk and nanosized NiTiO3 structures have been carried out in order to deepen the understanding of the experimental results. The synthesis of NiTiO3 powders has been achieved by sol-gel and solid state reaction, while NiTiO3 thin films have been grown by rf-sputtering.Characterizations on their structural, vibrational and optical properties confirm the stabilization of polycrystalline NiTiO3 in its ilmenite phase in both powders and thin films as well. The determination of a band gap at 2.25 eV suggests the feasibility to implement the synthesized materials as visible-light-active photocatalysts. This feature has been tested in thedegradation of methylene blue in aqueous solution using rf-sputtered NiTiO3 thin films irradiated with visible light,achieving the degradation of 60% of the initial concentration of the colorant in 300 minutes. In addition, the electro-oxidation of methanol has been accomplished by applying an external voltage on an electrode containing NiTiO3 powders in alkaline media. The Ni ions present in the catalyst have been identified as the active species with the oxidation of the organic molecules on the surface of Ni3+ sites. As a main achievement, NiTiO3 has been synthesized as powders and thin films with suitable characteristics for efficient heterogeneous photocatalysis and the catalytic capabilities of NiTiO3 have beendemonstrated on the photodegradation of Methylene Blue and the electro-oxidation of methanol.

Les propriétés inattendues des nanoparticules d'or font que le contrôle de leur taille, de leur forme et/ou de leur morphologie devient essentiel pour une application ciblée. Des formes variées de nanoparticules en solution colloïdale ont été synthétisées. L'analyse de ces solutions par spectroscopie UV-Visible montre que les nanoparticules anisotropes ont deux bandes plasmoniques. Aussi, le potentiel zêta mesuré révèle que les solutions sont stables dans les conditions d'étude. La caractérisation par la microscopie électronique en transmission a permis d'observer que leur surface présente différentes orientations cristallographiques. Le dépôt sous potentiel du plomb par voltammétrie cyclique a révélé les sites cristallographiques à la surface de ces nanomatériaux. Ces matériaux présentent des proportions de surface orientée (111), (110) et (100) et de défauts cristallins en accord avec les résultats de microscopie. L'étude électrochimique dans l'électrolyte support montre que la formation des oxydes sur ces nanomatériaux dépend de leur structure. La cinétique de croissance des couches d’oxyde sur les nanobâtonnets d’or dépend fortement du potentiel, du temps de polarisation et de la température. Des différentes formes structurales des nanomatériaux d'or synthétisés et en présence de molécules modèles telles que le glucose et l'acide formique, les nanosphères présentent l'activité la plus forte pour l'oxydation du glucose ; tous les nanomatériaux sont moins actifs pour l'oxydation de l'acide formique. Les analyses par FTIR in situ mettent en évidence la gluconolactone comme intermédiaire de cette réaction et la forte influence de la structure de surface. / Due to the unusual properties of gold nanoparticles, the control of their size, their shape and/or their morphology for a well-targeted application becomes essential. Various shape controlled particles in colloidal solutions were synthesized. The analysis of such solution by UV-visible spectroscopy shows that the anisotropic particles exhibit two surface plasmon resonance bands. In addition, the zeta potential measurements reveal that such solutions are stable in the experimental conditions. It is clearly observed by the transmission electron microscopy characterization of these nanomaterials that their surface has different crystallographic orientations. The under potential deposition (upd) of lead by cyclic voltammetry revealed the surface crystallographic sites which present different ratio of orientated surface (111), (110), (100) and defaults confirming the microscopy results. The cyclic voltammetry in supporting electrolyte shows that the oxides formation on these nanomaterials depends strongly on their structure. On gold nanorods, an extensive study of the kinetic of the oxide layers growth shows that this process is affected by the polarization potential and time as well as temperature. The nanospheres exhibited high activity toward the glucose oxidation, while all the synthesized nanomaterials presented low activity toward the formic acid oxidation. Gluconolactone appears as the main intermediate species during the oxidation of glucose which is a surface structure dependent process.

The ever increasing demand for energy due to over consumption of non-renewable fossil fuels has emphasized the need for alternate, sustainable and efficient energy conversion and storage systems. In this direction, electrochemical energy conversion and storage systems involving various fundamental electrochemical redox processes such as hydrogen evolution (HER), oxygen reduction (ORR), oxygen evolution (OER), hydrogen oxidation (HOR) reactions and others become highly important. Electrocatalysts are often used to accelerate the kinetics of these reactions. Platinum (Pt), ruthenium oxide and iridium oxide (RuO2 and IrO2) are known to be the state of the art catalysts for several of these reactions due to favouarable density of states (DOS) near the Fermi level, binding energy with the reactant species, chemical inertness etc. Apart from HER, OER and ORR, chlorine evolution reaction (Cl-ER) is another industrially important reaction associated with water purification, disinfection, bleaching, chemical weapons and pharmaceuticals. Dimensionally stable anodes (RuO2/IrO2 mixed with TiO2 on Ti) are the most commonly used catalysts for this process. Issues related to surface poisoning, corrosion and cost of the catalysts, in addition to selectivity and specificity towards a particular reaction are various aspects to be addressed. For example, Pt is not very specific for ORR in presence of methanol in addition to high cost and corrosion in certain media. On the other hand, DSA can efficiently catalyze both OER and Cl-ER, and hence there is overlap of the two processes in the potential range available. There is an on going search for efficient, cost-effective, stable catalysts that possess high specificity for a particular redox reaction. Towards this goal, the present study explores certain layered (phospho)chalcogenides for catalyzing HER, ORR, OER and Cl-ER. The present thesis is structured in two parts, where the first part explores the multi-functional catalytic aspects of new classes of compounds based on layered transition metal mixed chalcogenides (MoS2(1-x)Se2x) and ternary phosphochalcogenides (FePS3, FePSe3 and MoPS). In addition, lithium insertion and desinsertion has been studied with the aim of using the layered materials for rechargeable batteries. The second part of the thesis explores organic electrode materials with active carbonyl groups such as rufigallol, polydihydroxyanthrachene succinic anhydride (PDASA) as battery electrodes. Additionally, covalently functionalized transition metal phthalocyanines with reduced graphene oxide are studied as counter electrodes in dye sensitized solar cells (DSSCs). MoS2(1-x)Se2x (x = 0 to 1) compositions are solid solutions of MoS2 and MoSe2 in different ratios. They crystallize in hexagonal structure with space group P63/mmc (D6h4) having Mo in trigonal prismatic coordination like the pristine counterparts. X-Ray diffraction studies reveal that Vegard’s law (figure 1a) is followed and hence complete miscibility of MoS2 and MoSe2 is established. MoS2(1-x)Se2x (x = 0 to 1) are layered in nature and the layers are held together by long range, weak van der Waal’s forces. This gives us the flexibility of exfoliation to produce corresponding few-layer materials (figure 1b). Figure 1. (a) Variation of lattice parameter corresponding to (002) reflection of MoS2(1-x)Se2x with different x values. (b) Scanning electron micrograph of few-layer MoS2(1-x)Se2x (x = 0.5). The electrocatalytic activity of the few-layer sulphoselenides have been studied towards HER in aqueous 0.5 M H2SO4 and towards Cl-ER in 3 M aqueous NaCl (pH = 3) solution. The mixed chalcogenides exhibit very good activities for both HER and Cl-ER as compared to the activity of their pristine counter parts (i.e. MoS2 and MoSe2) (figures 2a and 2b). Electrocatalytic activity on different compositions reveal that MoS1.0Se1.0 exhibits the maximum activity. Additionally, it has been observed that MoS1.0Se1.0 shows high specificity for Cl-ER with negligible interference of OER. Figure 2. Voltammetric data for (a) hydrogen evolution reaction (in 0.5 M aqueous H2SO4) and (b) chlorine evolution reaction (in 3 M aqueous NaCl solution, pH = 3) on MoS2(1-x)Se2x (x = 0, 0.5, 1). Figure 3. (a) XRD pattern of MoS2(1-x)Se2x (x = 0.5) electrode after a cycle of Li insersion and deinsersion (red) along with as-synthesized material (black) (b) Cycling behaviour of rGO supported (black) and pristine (red) MoS2(1-x)Se2x (x = 0.5) as electrode in rechargeable lithium-ion battery. The equiatomic MoS1.0Se1.0 has also been studied as an anode material for rechargeable lithium batteries. The cyclic voltammogram and characterization after charge-discharge cycle (figure 3a) indicate intercalation of Li with in the layers followed by conversion type formation of Li-S and Li-Se type compounds. The pristine material shows continuous capacity fading while the composites of sulphoselenides functionalized with conducting carbon supports such as rGO, MWCNT, super P carbon, toray carbon show marked improvement in capacity as well as cycling behavior. The rGO functionalized MoS1.0Se1.0 reveals ~1000 mAh/g of stable specific discharge capacity for 500 cycles (figure 3b). In the next two chapters, new class of transition metal-based layered materials FePS3 and FePSe3, containing both P and chalcogen (S and Se) is indroduced for electrocatalysis. FePS3 crystallizes in monoclinic symmetry with an indirect band gap of ~1.55 eV while FePSe3 possesses rhombohedral crystal structure with comparatively low band gap (~1.3 eV) as shown in figure 4a. The FePS3 and FePSe3 have been exfoliated as has been done for MoS1.0Se1.0 (liquid exfoliation method) using acetone as the solvent. Stable colloids with few-layer nanosheets having lamellar morphology and lateral sizes of ~100 to 200 nm are obtained. Electrical characterization indicates that they are semiconducting and the conductivity of the Se analogue is ~50 times higher than that of the S analogue (figure 4b). Figure 4. (a) Catholuminescence of FePX3 ( X = S and Se) reveals the band gap of the material. Band gap of the S analogue is 1.52 eV and that of the Se analogue is 1.33 eV (b) Resistivity of FePX3 ( X = S and Se) as a function of temperature. The tri-functional electrocatalytic activities on rGO-few layer FePX3 (X = S and Se) have been evaluated for HER over a wide pH range (0.5 M H2SO4, 0.5 M KOH, phosphate Figure 5. Catalytic activity of rGO-few-layer FePX3 (X = S, Se) towards HER in (a) aqueous 0.5 M H2SO4 and (b) 3.5 wt % NaCl solutions. (c) ORR activity of the catalysts in oxygen saturated 0.5 M KOH (d) OER behaviour on the catalysts in 0.5 M KOH at a rotation speed of 1600 rpm. buffer, pH 7 and 3.5 % NaCl), ORR and OER in alkaline media (0.5 M KOH). The studies clearly reveal that both rGO-FePS3 and rGO-FePSe3 exhibit excellent HER activity in acidic media (figure 5a) with high stability. The HER studies in 3.5 wt % aqueous NaCl solution (figure 5b) suggests that the catalysts are effective in evolving hydrogen from sea-water environment. Studies on ORR activity (figure 5c) indicate that the rGO composites of both S and Se analogues follow 4-electron pathways to produce water as the final product. They are also found to be highly methanol tolerant. In the case of OER (figure 5d), XPS characterization of the electrodes after the voltammetric studies reveals the presence of very thin layer of Fe2O3 (not detectable by XRD). All the three reactions (HER, ORR and OER) catalyzed by the Se analogue are better than the S analogue (figure 5). This could be due to the low band gap and high conductivity of FePSe3 as compared to FePS3. The over potential to achieve 10 mAcm-2 current density is ~108 mV for rGO-few-layer FePS3 catalyst where in the case of rGO-few layer FePSe3, it is ~97 mV (table 1). Table 1. Catalytic activities of rGO-few layer FePS3 and rGO-few layer FePSe3 towards HER, ORR and OER. Reaction studied rGO-FePS3 rGO-FePSe3 HER (η @ 10mAcm-2) ~108 mV ~97 mV ORR (peak potential) ~0.81 V ~0.87 V OER (η @ 10mAcm-2) ~470 mV ~430 mV It is likely that there is a strong interaction between FePX3 (metal d-orbital) and rGO, as observed from the downward shift of Fe 2p peak in high resolution XPS studies. This interaction may extend the density of states of metal d-orbitals thereby improving the catalytic activities. The next chapter deals with molybdenum-based phosphosulphide compound (MoPS). Molybdenum-based phosphide catalysts have been explored recently as excellent catalysts for various electrochemical reactions such as HER. It is expected that the catalyst containing both S and P will show positive effects on catalytic activities due to the synergy between S and P. In the present study, P incorporated MoS2 is studied towards HER. The XRD pattern of the as-synthesized crystal suggests the presence of mixed phase of MoS2, MoP2 and MoP while the elemental mapping in microscopy indicates the ratio of Mo, P and S to be 1:1:1. The electrochemical HER in 0.5 M H2SO4 indicates that the activity is improved drastically as compared to bulk and few-layer MoS2. The next section explores the use of different organic electrode materials possessing active carbonyl groups for Li-storage studies. The advantage of the use of carbonyl-based compounds lies in the high reversible activity towards Li ion insersion and de-insersion. Rufigallol (figure 6a) exhibits very stable capacity of ~200 mAh/g (at C/20 rate) upto 500 Figure 6. (a) and (c) Schematic representation of rufigallol and poly-dihydroanthracene succinic anhydride (PDASA) respectively. (b) and (d) Cyclic behaviour of rufigallol (at C/20 rate) and PDASA (at 20 mAg-1 current rate) in Li-storage devices. (e) and (f) represent the coulombic efficiency of rufigallol (at C/20 rate) and PDASA (at 20 mAg-1 current rate) as a function of number of cycles. cycles along (figure 6b) and with very good rate capability. A triptycene-based mesoporous polymer, PDASA (figure 6c) is introduced and explored as efficient electrode material for Li-storage. PDASA exhibits very high capacity of ~1000 mAh/g at a current rate of 50 mA/g upto 1000 cycles (figure 6d). Even at very high current rates (3A/g) excellent cyclability is observed. The mechanistic details of lithium uptake and release are studied using various spectroscopic techniques. In both the cases the coulombic efficiency observed is ~80 to 90 % (figures 6e and f). Figure 7. (a) Digital photograph of the dye sensitized solar cell with rGO-Co-TAPc counter electrode. (b) Photoconversion efficiency of DSSCs with different counter electrodes as mentioned in the figure. (c) Photo conversion efficiency of Pt and rGO-Co-TAPc based DSSCs as function of storage time. (d) Schematic illustration of DSSC wherein the energy level of the counter electrodes and electrolyte are shown for different M-TAPcs. In a slightly different direction, metal phthalocyanine - rGO composites (rGO-M-TAPc; M = Co, Zn, Fe) have been explored as counter electrodes in DSSC. Figure 7a depicts the digital image of a DSSC constructed using rGO-Co-TAPc as the counter electrode. It has been observed that rGO-cobalt tetraamino phthalocyanine (rGO-Co-TAPc) counter electrode exhibits ~6.6 % of solar conversion efficiency (figure 7b) and is close to that of standard DSSC (Pt counter electrode) under identical experimental conditions and are highly stable (figure 7c). Other metal phthalocyanines show less efficiency and is analysed based on the relative positions of HOMO energy levels of the materials and the energy level of the redox system (I-/I3- system) as given in figure 7d. The thesis contains eight chapters on aspects discussed above along with summary and future perspectives given at the end. It is devided into various chapters in two sections, one comprising inorganic chalcogenide-based electrocatalysts and another comprising organic electrode materials. Appendix I discusses the Na-storage behaviour of MoS1.0Se1.0 and appendix II describes the Li-storage behaviour of rGO functionalized benzoquinone and diamino anthraquinone electrode materials.

Les mésophases hexagonales sont des systèmes quaternaires formés de tensioactifs et co-tensioactifs, eau salée et huile. Ces mésophases sont utilisées comme moules « mous » pour la synthèse de différents nanomatériaux tels que des nanostructures métalliques poreuses, des nanostructures de polymères conjugués et des nanocomposites métalliques-polymères. Contrairement aux matrices (ou moules) durs, qui nécessitent des réactifs chimiques corrosifs pour extraire les nanomatériaux synthétisés in situ, le processus d'extraction des nanomatériaux synthétisés dans les mésophases hexagonales est simple : les nanomatériaux peuvent être extraits simplement par lavage avec de l'éthanol ou du 2-propanol. Un autre intérêt à utiliser ces mésophases comme matrice de synthèse est qu’elles peuvent être gonflées en contrôlant le rapport huile / eau. Cette thèse est divisée en trois parties: 1) La synthèse de nanostructures métalliques poreuses dans la phase aqueuse des mésophases hexagonales et leur application dans les piles à combustible (oxydation de l'éthanol), 2) La synthèse de nanostructures de polymères conjugués dans la phase huile des mésophases hexagonales pour des applications en photocatalyse et en particulier pour la dégradation de polluants, 3) La synthèse combinée dans les phases huile et eau des mésophases hexagonales de nanocomposites métal-polymère. Plusieurs nanostructures métalliques telles que des nanoballes PdPt de porosité et composition contrôlées, des nanostructures poreuses cœur-coquille AuPd et AuPt, bimetalliques PtNi et trimétalliques AuPdPt ont été synthétisées par radiolyse dans la phase aqueuse des mésophases hexagonales. Les nanoballes PdPt de porosité et composition contrôlées ont été utilisées comme électro-catalyseurs pour l'oxydation de l'éthanol. L'effet de la taille des pores sur la surface électro-active des nanostructures métalliques et leur activité électrocatalytique pour l'oxydation de l'éthanol a été étudié. Les nanostructures poreuses cœur-coquille bimétalliques AuPd et AuPt, et trimétalliques AuPdPt ont été utilisées pour l'oxydation de l'éthanol et du glucose. Les nanoballes poreuses PtNi ont été utilisées pour l'évolution de H2 et la réaction de réduction de l’oxygène. Des nanostructures de polymères conjugués (poly(3-hexylthiophène), P3HT) ont été synthétisées dans la phase huile des mésophases hexagonales. Ces nanostructures de polymères ont une activité photocatalytique élevée sous UV et lumière visible. Le phénol et la rhodamine B ont été utilisés comme polluants modèles. Ces photocatalyseurs sont très stables même après plusieurs cycles photocatalytiques. L'ajout de molécules capteurs et l’étude du mécanisme montrent que les radicaux O2.− sont les principaux radicaux responsables de la dégradation du phénol. De manière très intéressante, l'activité photocatalytique de ces nanostructures de P3HT est fortement augmentée lorsqu'elles sont supportées sur une surface solide. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives pour des applications dans des réacteurs photocatalytiques et des surfaces autonettoyantes. Des résultats préliminaires sur la synthèse des nanocomposites Pt-PDPB (polydiphenylbutadiyne) sont également présentés dans cette thèse. / Soft hexagonal mesophases, which consist of quaternary systems (surfactants, brine, oil, and co-surfactant) are used as templates for the synthesis of different nanomaterials such as metal nanostructures, conjugated polymer nanostructures, and metal-polymer nanocomposites. Unlike hard templates, which need a harsh chemical reagent to extract nanomaterials after the synthesis, in soft template hexagonal mesophases, the extraction process of nanomaterials is simple, only by washing with ethanol or 2-propanol. Another interesting property of this class of template lies on its ability to be swollen by controlling the ratio of oil to water.This thesis is divided into three parts: 1) Radiolytic synthesis of metal nanostructures in the aqueous phase of hexagonal mesophases and their application in fuel cells (ethanol oxidation), 2) Synthesis of conjugated polymer nanostructures in the oil phase of hexagonal mesophases for photocatalytic degradation of pollutants, 3) Combined synthesis in the oil and water phases of hexagonal mesophases of metal-polymer nanocomposites.Several metal nanostructures such as PdPt nanoballs with controlled composition and porosity, AuPd and AuPt core shell, bimetallic PtNi and trimetallic AuPdPt porous nanoballs were synthesized by radiolysis in the aqueous phase of hexagonal mesophases. PdPt nanoballs with controlled porosity and composition were used as electrocatalysts for ethanol oxidation. The effect of the pore size on their electro active surface and their electrocatalytic activity towards ethanol oxidation were studied. AuPd and AuPt core-shell, and trimetallic AuPdPt porous nanoballs were used for ethanol and glucose oxidation. PtNi porous nanoballs were used for H2 evolution and oxygen reduction reaction. Conjugated polymer nanostructures namely P3HT (poly(3-hexylthiophene)) were synthesized in the oil phase of hexagonal mesophases. These polymer nanostructures are highly active for photocatalysis under UV and visible light. Phenol and rhodamine B were used as model pollutants. These photocatalysts are very stable even after repeated cycling. Addition of scavengers and mechanistic studies show that O2.− is the main radical responsible for degradation of phenol. Most interestingly, the photocatalytic activity of these P3HT nanostructures is highly enhanced when they are supported on a solid surface opening new perspectives in photocatalytic reactors and self-cleaning surfaces. Premiminary results on the synthesis of Pt-PDPB (polydiphenylbutadiyne) nanocomposites are also presented in this thesis.

La pile à combustible directe à borohydrures (DBFC en anglais), qui est une sous-catégorie des piles à combustible alcalines, bénéficie des avantages de son combustible, le borohydrure de sodium (NaBH4), qui confère à ce système des caractéristiques thermodynamiques et énergétiques très intéressantes. Cependant, la réaction d’électrooxydation de NaBH4 (BOR en anglais) est très complexe et reste à ce jour encore peu étudiée et mal comprise sur la majorité des électrocatalyseurs (la plupart étant sous forme de nanoparticules métalliques supportées sur des noirs de carbone). De plus, de récentes études ont montré l’agressivité du milieu alcalin sur la durabilité des électrocatalyseurs conventionnels, révélant une grande perte de surface catalytique active, due principalement à un détachement des nanoparticules du support carboné. Dans ce contexte, ces travaux de thèse se sont orientés vers trois axes d’étude : (i) l’étude de la BOR sur des électrocatalyseurs à base de palladium dans des conditions proches des conditions réelles de fonctionnement de la DBFC ; (ii) l’étude de l’impact de la structure de l’anode sur les performances globales de la DBFC, et (iii) l’étude du mécanisme de dégradation d’électrocatalyseurs à base de métaux nobles dans un environnement alcalin. Les expérimentations ont été réalisées en étroite collaboration avec le U.S. Naval Research Laboratory (Washington, USA).Les résultats obtenus ont montré qu’une grande concentration en NaBH4 entraine un ralentissement de la cinétique de la réaction, due en partie à un fort empoisonnement de la surface catalytique. Par ailleurs, des marqueurs d’activité pour la BOR ont été proposés. Ensuite, l’utilisation d’électrodes à gradient de catalyseurs s’est avérée être une solution prometteuse pour mieux valoriser l’hydrogène produit via des réactions secondaires à la BOR. Enfin, l’utilisation de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier couplée à de la microscopie électronique en transmission à localisation identique a permis de détecter la formation de carbonates au cours d’un test de vieillissement accéléré d’électrocatalyseurs à base de métaux nobles en milieu alcalin. Ce mécanisme explique, en partie, le détachement des nanoparticules observé au cours du test. / The direct borohydride fuel cell (DBFC), a subclass of alkaline fuel cells, benefits from the advantages of its fuel, sodium borohydride (NaBH4), which exhibits very interesting thermodynamic and energetic characteristics. However, the NaBH4 electrooxidation reaction (BOR) is very complex; to date it remains poorly studied and understood on many electrocatalysts (most of them are in the form of metal nanoparticles supported on carbon black). In addition, recent studies reported the aggressiveness of the alkaline medium on the durability of conventional carbon-supported electrocatalysts, revealing a large loss of the active catalytic surface, mainly due to the detachment of nanoparticles from the carbon support. In this context, this thesis focused on three main areas of study: (i) the study of the BOR on palladium-based electrocatalysts in conditions close to the real operating conditions of the DBFC; (ii) the study of the impact of the anode structure on the overall performance of the DBFC, and (iii) the study of the degradation mechanism of noble metal electrocatalysts in alkaline environment. The experiments were carried out in close collaboration with the U.S. Naval Research Laboratory (Washington, USA).The results obtained showed that a high concentration of NaBH4 leads to a decrease of the reaction kinetics, due in part to poisoning of the catalytic surface. In addition, activity markers for the BOR have been proposed. Then, the use of catalysts-gradient electrodes proved to be a promising solution to better valorize the hydrogen produced via side reactions of the BOR. Finally, the use of Fourier transform infrared spectroscopy coupled with identical-location transmission electron microscopy enabled to detect the formation of carbonates during the accelerated stress test of carbon-supported noble metal electrocatalysts in alkaline medium, explaining, in part, the detachment of nanoparticles observed during the test.

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El conocimiento de las características interfaciales es de suma importancia para poder desarrollar materiales que sean capaces de dar lugar a reacciones electrocatalíticas eficientes. Por esta razón, en esta tesis se muestran diferentes estudios interfaciales sobre superficies monocristalinas de platino y cobre en diferentes electrolitos. Además se estudian las características de la interfase electrodoldisolución con superficies de platino modificadas con adátomos de hierro, cobalto y níquel. Para ello, se han empleado las técnicas de voltametría cíclica, espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier, desplazamiento de carga con CO y salto de temperatura inducido por láser. Los resultados muestran cómo varía el campo eléctrico interfacial disminuye al aumentar el recubrimiento de hierro y níquel en la superficie de platino. Este efecto tiene un gran impacto en la reacción de evolución de hidrógeno, ya que la mejora electrocatalítica de esta reacción está relacionada con la energía de reorganización de las moléculas de agua, la cual, depende de la fortaleza del campo eléctrico interfacial. Los estudios realizados en medio alcalino para las diferentes superficies de cobre y platino sin modificar muestran una correlación entre el potencial de máxima entropía y las funciones de trabajo para cada una de las diferentes orientaciones atómicas superficiales. Por otro lado, debido a la aplicabilidad de las nanopartículas en los sistemas reales de conversión de energía, se realizaron experimentos de sincrotrón empleando la técnica de Bragg coherent difraction imaging con el objetivo de estudiar el deterioro de las nanopartículas en condiciones operando.

Kern der vorliegenden Arbeit ist die Anwendung quantenchemischer Methoden auf Probleme der elektrochemischen Katalyse vor dem Hintergrund der Sauerstoffreduktion, wie sie an kohlenstoffgeträgerten Platinkatalysatoren abläuft. In diesem Zusammenhang werden die Stabilität des Katalysatorsystems und der Mechanismus der Sauerstoffreduktion untersucht, sowie ein Algorithmus zur Berechnung von Molekülen unter einem gegebenen Potential vorgestellt. Zuerst werden die Wechselwirkungen von Platinnanopartikeln mit polyzyklischen Aromaten als Modellverbindungen des Katalysatormaterials untersucht. Weiterhin wird untersucht, wie Modifikationen des Kohlenstoffträgers und variierende Größe des Platinsystems diese Wechselwirkungen beeinflussen. Weiterhin beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Reaktionsmechanismus der Sauerstoffreduktion. Zu diesem Zweck wird das Zersetzungsverhalten von H2O2 als mögliches Intermediat der Sauerstoffreduktion an Platinoberflächen untersucht. Weiterhin wird geprüft, inwieweit dem Elektrolyten hinzugefügte Ionen die Zersetzungsreaktionen beeinflussen. Abschließend werden Rückschlüsse auf den Reaktionspfad der Sauerstoffreduktion gezogen. Zuletzt wird ein theoretischer Ansatz zur Berechnung von Systemen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie vorgestellt, bei dem nicht die Anzahl der Elektronen, sondern das elektrochemische Potential vorgegeben ist und die Elektronenzahl potentialabhängig modifiziert wird. Ebenso wird die Relevanz von Rechnungen mit konstantem Potential demonstriert.

Die elektrokatalytische Wasserspaltung gilt als die nachhaltigste und sauberste Technologie zur Produktion von H2. Leider wird die Effizienz durch die träge Kinetik der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode stark eingeschränkt. Im Gegensatz zur OER ist die Elektrooxidation organischer Stoffe (EOO) thermodynamisch und kinetisch günstiger. Daher hat sich die Kopplung der EOO mit der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) als Alternative herauskristallisiert, weil dabei die katalytische Effizienz für die H2-Produktion erheblich verbessert werden kann. Gleichzeitig können hochwertige organische Verbindungen an der Anode durch Verbesserung der Elektrooxidation erzeugt werden. In diesem Kurzaufsatz werden die aktuellsten Fortschritte und Meilensteine, die bereits bei der Kopplung der EOO mit der HER erzielt wurden, vorgestellt. Der Fokus liegt auf dem Design des Anodenkatalysators, dem Verständnis des Reaktionsmechanismus und der Konstruktion des Elektrolyseurs. Darüber hinaus werden Herausforderungen und Perspektiven in Bezug auf die künftige Entwicklung dieser innovativen Technologie aufgezeigt.

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