Les travaux présentés s'intéressent à la réalisation de piles SOFC de 3éme génération. La problématique essentielle de cette configuration concerne le processus de mise en forme de la cellule devant permettre l'obtention d'un électrolyte dense (haute température) associé à un métal poreux (basse température). Afin de répondre à cette problématique, nous proposons une approche innovante consistant à élaborer et mettre en forme, à haute température, un empilement de précurseurs oxydes réduits dans une deuxième étape à température modérée pour générer les parties métalliques. La voie sol-gel dérivée du procédé Pechini réputée pour permettre l'obtention à moindre coût d'échantillons homogènes de composition complexe et à microstructure contrôlée a permis d'obtenir les précurseurs oxydes des constituants de la cellule. Leur mise en forme a été réalisée par frittage flash, technique sélectionnée pour la rapidité de traitement permettant de contrôler la densification, préserver la microstructure et limiter les réactions interfaciales lors de l'assemblage de matériaux différents. Les paramètres de densification puis les conditions de réduction ont été optimisés pour chaque précurseur avant d'être transférés pour la réalisation d'une demi-cellule. Le départ de l'oxygène se traduit par une augmentation de la porosité sans coalescence des parties métallique ni décollement au niveau des interfaces entre constituants. Ainsi, les résultats présentés valident l'approche proposée montrant le bénéfice attendu de l'utilisation de précurseurs oxydes permettant la dissociation de l'étape mise en forme et densification de l'électrolyte de celle de l'obtention du métal poreux. Après réalisation des tests électrochimiques sur la demi-cellule, la réalisation d'une cellule complète pourra être proposée avant d'envisager un transfert d'échelle, rendu possible par l'utilisation de procédés facilement industrialisables. / The works presented concern in the realization of a third generation of SOFC cell. The main problem is the shaping process of the cell which must allows obtaining a dense (high temperature) electrolyte associated with a porous metal (low temperature). In order to solve this issue, we propose an innovative approach consisting in developing and shaping, at high temperature, a stack of oxide precursors which will be reduced in a second step at moderate temperature to generate the metal parts. The sol-gel route derived from the Pechini process, known to allow obtaining at low cost homogeneous samples of complex composition and controlled microstructure, was used to obtain the oxide precursors of the constituents of the cell. Their shaping was carried out by flash sintering, a technique selected for the speed of treatment allowing to control the densification, to preserve the microstructure and to limit the interfacial reactions during the assembly of different materials. The densification parameters and then the reduction conditions were optimized for each precursor before being transferred for the production of a half-cell. The departure of the oxygen results in an increase in the porosity without coalescence of the metal parts or detachment at the interfaces between constituents. Thus, the results presented validate the proposed approach showing the expected benefit of the use of oxide precursors allowing the dissociation of the shaping and densification step of the electrolyte from that of the obtaining of the porous metal. After carrying out the electrochemical tests on the half-cell, the full cell will be produced the upscaling, facilitated by the use of adequate chemical processes will be considered.

Les piles à membrane polymère à échange de protons (PEMFC) sont une des techniques les plus prometteuses pour une production d'électricité propre et efficace à partir d'hydrogène. Les applications de cette nouvelle génération de piles à combustibles concernent aussi bien des applications portables et nomades telles que smartphones, ordinateurs portables, électronique embarquée que des applications domestiques ou dans les transports. A ce jour, le platine utilisé comme catalyseur est considéré comme le seul choix possible pour un rendement élevé et stable. En conséquence, suite à des ressources limitées en platine, la fabrication des piles à combustible reste coûteuse et la production industrielle généralisée impossible. Pour cette raison, une diminution substantielle de la quantité de Pt incorporée et donc la recherche de nouveaux matériaux d'anode à faible coût avec une activité élevée sont nécessaires. Des systèmes à base d’oxyde de cérium dopés au platine avaient été présentés comme étant des catalyseurs actifs pour l'oxydation du CO, la production d'hydrogène, l'oxydation de l'éthanol et la décomposition de méthanol. Au cours de ce travail, de nouveaux concepts pour la fabrication des piles à combustible ont été développés : la quantité de platine incorporée a été fortement diminuée conduisant à la production de nouveaux matériaux d'anode. Enfin, des catalyseurs à base de platine ont été déposés non pas sous la forme usuelle de nanopoudres mais sous forme de films minces fortement poreux sur substrat silicium.Au cours de cette thèse, le système Pt-CeOx a été étudié. Des échantillons non dopés puis dopés avec une faible quantité de platine ont été élaborés puis caractérisés en vue d'une application comme catalyseurs pour piles à combustibles. L'obtention de ces matériaux avec des propriétés sur mesure implique la maîtrise totale de leurs conditions de croissance. Afin d’étudier ces nouveaux composés de taille nanométrique, la microscopie électronique en transmission (MET) a été un outil précieux, qui a permis d'apporter des informations très précises sur la morphologie des films minces, la composition chimique et la structure à l'échelle atomique. Le cérium possède un double degré d'oxydation (+III/+IV), ce qui explique ses très bonnes propriétés catalytiques. Des analyses par spectrométrie dephotoélectrons X (XPS) ainsi que par spectroscopie de pertes d'énergie des électrons (EELS) ont été effectuées afin de déterminer son degré d'oxydation. / Present doctoral thesis is focused on investigation of novel metal-oxide anode catalyst for fuel cell application by electron microscopy and associated spectroscopies. Catalysts based on Pt-doped cerium oxide in form of thin layers prepared by simultaneous magnetron sputtering deposition on intermediate carbonaceous films grown on silicon substrate have been studied. The influence of the catalyst support composition (a-C and CNx films), deposition time of CeOx layer and other deposition parameters, as deposition rate, composition of working atmosphere and Pt concentration on the morphology of Pt-CeOx layers has been investigated mainly by Transmission Electron Microscopy (TEM). The obtained results have shown that by combination of suitable preparation conditions we are able to tune the final morphology and composition of the catalysts. The composition of carbonaceous films and Pt-CeOx layers was examined by complementary spectroscopy techniques – Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Such prepared porous structures of Pt-CeOx are promising as anode catalytic material for real fuel cell application. / Předložená dizertační práce se zabývá studiem nových katalyzátorů na bázi kov-oxid vhodných pro použití v palivových článcích na straně anody. Platinou dopovaný oxid ceru připravený magnetronovým naprašováním ve formě tenkých vrstev na uhlíkových mezivrstvách nesených křemíkovým substrátem byl zkoumán prostřednictvím mikroskopických a spektroskopických metod. Vliv složení uhlíkového nosiče (a-C a CNx filmy), depozičního času CeOx vrstvy a dalších depozičních parametrů, např. depoziční rychlosti, složení pracovní atmosféry a Pt koncentrace na morfologii Pt-CeOx vrstev byl studován převážně pomocí transmisní elektronové mikroskopie (TEM). Získané výsledky ukazují, že vhodnou kombinací depozičních podmínek jsme schopni vyladit výslednou morfologii a kompozici katalyzátoru. Složení uhlíkových filmů a Pt-CeOx vrstev bylo studováno spektroskopickými technikami – energiově-disperzní spektroskopií (EDX), spektroskopií charakteristických ztrát elektronů (EELS) a rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS). Takto připravené porézní struktury vrstev Pt-CeOx jsou slibným katalytickým materiálem na straně anody pro reálné aplikace v palivových článcích.

Cette étude traite de la préparation de nanomatériaux à base de palladium et de platine qui ont une morphologie contrôlée, et de la caractérisation de leur activité électrocatalytique vis-à-vis de l'oxydation de l'éthanol, l'éthylène glycol et le glycérol en milieu alcalin. La détermination des différentes propriétés de ces matériaux utilisés comme catalyseurs anodiques a permis la compréhension des étapes clés et l'élucidation des principaux chemins réactionnels impliqués dans la conversion électrochimique de ces alcools utilisables comme combustible dans une pile.Dans ce contexte, ces nanomatériaux ont été synthétisés soit par la méthode d'auto-assemblage électrostatique, soit par la méthode polyol assistée par microondes. Ces méthodes de synthèse chimique choisies car plus adaptées à cette fin, ont permis d'obtenir des nanoparticules de type cœur@coquille dont les atomes de palladium ou de platine sont situés dans la coquille, et le cœur constitué de nickel, ruthénium ou d'étain. Nanomatériaux synthétisés par auto-assemblage électrostatique - Par souci d'économiser les métaux nobles et précieux, sans pour autant perdre en activité, les électrocatalyseurs synthétisés par auto-assemblage électrostatique ont été dispersés dans du carbone Vulcan XC-72R ou déposés sur des Nanotubes de Carbone (NTC) avec un taux de charge métallique de wt. 40%. Les résultats issus des différentes caractérisations physicochimiques ont montré que les matériaux préparés ont des compositions expérimentales (par Spectroscopie de Rayons-X à Dispersion d’Énergie – EDX) similaires aux valeurs nominales ; les paramètres de maille et volume des particule varient légèrement pour les différents matériaux (Microscopie Electronique en Transmission – MET et Diffraction des Rayons X – DRX), mais ont gardé le caractère cristallographique de la structure cubique à faces centrées du palladium et du platine. Les nanoparticules obtenues sont en général de forme sphérique et ont une taille comprise entre 2 et 9 nm ; leur morphologie indique des systèmes très organisés, mais leur structure coeur@coquille n'a pour l'instant pas été formellement déterminée. Des expériences de CO-Stripping ont permis de caractériser électrochimiquement les surfaces actives les matériaux qui ont été synthétisés. Il en résulte leur surface active augmentent de façon très significative des systèmes monométalliques aux électrodes bimétalliques, en particulier les nanocatalyseurs Ru@Pd/NTC et Ni@Pt/NTC qui ont des surfaces spécifiques respectives de 73 et 74 m²g-1Pd/Pt. Concernant l'électrooxydation des alcools en C2 et C3 dans un électrolyte alcalin (1,0 mol L-1 [NaOH] + 0,5 mol L-1 [alcool]), les électrocatalyseurs contenant du platine et déposés sur des nanotubes de carbone ont une meilleure activité électrocatalytique vis-à-vis de l’oxydation du combustible éthylène glycol en termes de densité de courant mesurée à un potentiel de -0,2 V vs. Hg/HgO/OH-. Par exemple, sur l’électrode de composition Ni@Pt/NTC, il a été relevé en début d’expérience de chronoampérométrie une densité de courant de 200 mA mg-1Pt qui a seulement baissé à 180 mA mg-1Pt après une étude qui a duré 90 minutes.Des analyses par chromatographie liquide (CLHP) ont été entreprises pour déterminer les molécules issues de l’oxydation des combustibles susmentionnés. Les taux de conversion de l'éthylène glycol et du glycérol ont respectivement atteint 74 et 58 % après 12 heures d'électrolyse par chronoampérométrie sur les catalyseurs Ru@Pt/NTC et Ni@Pt/NTC. Si l’oxydation du glycérol produit sélectivement des ions formiate et oxalate sur Ru@Pt/NTC, elle conduit majoritairement aux ions tartronate et mesoxalate sur l’électrode Ni@Pt/NTC, révélant ainsi deux chemins réactionnels de la transformation électrochimique du combustible glycérol selon la structure cœur-coquilles du matériau bimétallique. / The present study proposes the synthesis of nanocatalysts based on palladium and platinum with high morphological organization and investigates their catalytic activity for the electrooxidation of ethanol, ethylene glycol, and glycerol in alkaline medium, seeking to understand the steps and mechanisms involved in these reactions. The nanomaterials were synthesized by the electrostatic self-assembly method and by the polyol microwave-assisted method. The goal was to obtain nanoparticles with morphology inspired by the core@shell-type systems, where the shell layer consists of platinum or palladium, and the core contains nickel, ruthenium, or tin. The electrocatalysts synthesized by the electrostatic self-assembly method were supported on Carbon Vulcan XC-72R or Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNT, metal/carbon = 40:60). Morphology characterization data indicated uniform spherical shape nanoparticles with size ranging between 2 and 9 nm, besides, the specific morphology point to a particular degree of organization. However, the presence of the core@shell-type system was not confirmed through this analysis. CO-Stripping experiments demonstrated that the electrochemically active surface area of the bimetallic systems increased significantly, particularly for the nanocatalysts Ru@Pd/CNT and Ni@Pt/CNT, whose surface areas were 72.8 and 74.1 m²g-1Pd/Pt² respectively. Concerning the electrooxidation of C2 and C3 alcohols in alkaline medium (1.0 mol L-1 NaOH + 0.5 mol L-1 Fuel), M@Pt/CNT systems exhibited higher catalytic activity, especially when employing ethylene glycol as the fuel, which provided the highest catalytic current at constant potential (Eapp = -0.2 V vs. Hg/HgO/OH-). Specifically, the Ni@Pt/CNT nominal composition presented catalytic activity of 180 mA mg-1Pt. Electrochemical conversion studies were performed with the ethyleneglycol-Ru@Pt/CNT and glycerol-Ni@Pt/CNT systems, and after 12 hours of electrolysis, conversion reached values around 74% and 58%, respectively. Concerning the preferential mechanisms for glycerol electrooxidation, evaluated by liquid chromatography analysis, glycerate and tartronate ions were the major intermediates formed. The Ru@Pt/CNT nanocatalyst was selective for formate and oxalate ions. In addition, Ni@Pd/CNT generated mesoxalate ion during the reaction, suggesting a dual pathway for glycerol conversion, via tartronate and/or mesoxalate ions.The nanostructured materials synthesized by the polyol microwave-assisted method were supported on carbon Vulcan XC-72R with 20% wt. metallic loading. Briefly, the metal cores were synthesized separately for successive deposition of the noble metal, by employing the consecutive reductions technique. We investigated the palladium-based bimetallic catalysts, with ruthenium or nickel metallic cores, for the electrooxidation of ethylene glycol (0.1 mol L-1) in alkaline medium (0.1 mol L-1 NaOH). Morphology characterization data indicated that Pd/C catalyst displayed different nanoparticle shapes, and particle size ranged from 3 to 40 nm. Ru@Pd/C and Ni@Pd/C displayed spherical shape with particle size between 2 and 7 nm and between 3 and 10 nm, respectively. Ni@Pd/C exhibited the higher activity towards ethylene glycol oxidation in alkaline medium, reaching values of about 80 mA mg-1Pd at the end of chronoamperometry experiments. Overall, combination of the results obtained by liquid chromatography-mass spectrometry and infrared spectroscopy in situ showed that oxidation of glycolate ion is the limiting step for ethylene glycol conversion in alkaline medium in the presence of palladium-based catalysts. Lower amounts of glycolaldehyde, glyoxylate, and oxalate ions emerged at the end of electrolysis procedure, and no carbonate arose. / O presente estudo tem como objetivo propor a síntese de nanocatalisadores à base de paládio e platina com elevada organização morfológica e investigar a referente atividade catalítica ao promover a eletro-oxidação do etanol, etilenoglicol e glicerol em meio alcalino, buscando assim compreender as etapas e mecanismos envolvidos perante estas reações. Neste contexto, os nanomateriais foram sintetizados pelo método de automontagem eletrostática e pelo método de poliol assistido por micro-ondas. Estas metodologias foram selecionadas a fim de obter nanopartículas com morfologia inspirada em sistemas do tipo core@shell (núcleo@casca), empregando átomos de paládio ou platina localizados na casca sobre núcleos de níquel, rutênio ou estanho. Os eletrocatalisadores sintetizados via automontagem eletrostática foram suportados em Carbono Vulcan XC-72R ou Nanotubos de Carbono de paredes múltiplas, com razão metal:carbono igual a 40:60. As nanopartículas obtidas apresentaram tamanho que variou entre 2-9 nm, formato esférico em quase sua totalidade e morfologia que indicava a presença de um determinado grau de organização; entretanto não foi confirmada a presença de sistemas do tipo core@shell. Experimentos de CO-Stripping demonstraram um aumento significativo da área eletroquimicamente ativa dos sistemas bimetálicos, com destaque para os nanocatalisadores Ru@Pd/NTC e Ni@Pt/NTC que apresentaram valores de 72,8 e 74,1 m² g-1Pd/Pt² respectivamente. Perante a eletro-oxidação dos álcoois C2 e C3 em meio alcalino (1,0 mol L-1 [NaOH] + 0,5 mol L-1 [Combustível]), os sistemas que apresentaram atividade catalítica mais elevada foram M@Pt/NTC, destacando o etilenoglicol como o combustível que propiciou a maior corrente catalítica quando submetido a potencial constante (E = -0,2 V vs. Hg/HgO/OH-). Mais especificamente, a composição Ni@Pt/NTC apresentou ao final dos experimentos de cronoamperometria um valor de atividade catalítica da ordem de 180 mA mg-1Pt. Os estudos de conversão eletroquímica demonstraram que ao empregar os sistemas etilenoglicol-Ru@Pt/NTC e glicerol-Ni@Pt/NTC atinge-se valores de conversão eletroquímica da ordem de 74% e 58%, respectivamente, após 12 horas de eletrólise a potencial controlado. Quanto aos mecanismos preferenciais de eletro-oxidação do glicerol, avaliados empregando análises de cromatografia líquida, foi verificada a formação majoritária dos íons glicerato e tartronato. Pontualmente, o nanocatalisador Ru@Pt/NTC indicou seletividade para a produção de íons formato e oxalato. Contudo, o catalisador Ni@Pd/NTC propiciou a eletrogeração do íon mesoxalato, sugerindo uma rota dupla de conversão do glicerol, via formação de íons tartronato e/ou mesoxalato.Os materiais nanoestruturados sintetizados via metodologia poliol assistida por micro-ondas foram suportados em Carbono Vulcan XC-72R com carga metálica igual a 20%. Especificamente para este caso, foram sintetizados os núcleos metálicos separadamente, para posterior deposição do metal nobre, empregando a técnica de reduções consecutivas. Foram investigados catalisadores bimetálicos à base de paládio, com núcleos de rutênio ou níquel, para promover a eletro-oxidação do etilenoglicol (0,1 mol L-1) em meio alcalino (0,1 mol L-1 NaOH). As nanopartículas de Pd/C apresentaram diferentes formatos e intervalo de tamanho entre 3-40nm. Para os catalisadores Ru@Pd/C e Ni@Pd/C foram verificados sistemas esféricos com variação do tamanho de partículas entre 2-7 nm e 3-10 nm, respectivamente. Os nanomateriais de composição nominal Ni@Pd/C exibiram elevada atividade para oxidar as moléculas de etilenoglicol em meio alcalino, atingindo valores da ordem de 80 mA mg-1Pd ao final dos experimentos de cronoamperometria.

Les couches catalytiques avec une structure ordonnée à base de nanoparticules de Pt supportées sur des nanofilaments de carbone verticalement alignés ont montré des performances intéressantes grâce à l’amélioration des propriétés du transport de matière et à une meilleure utilisation du Pt. Des études électrochimiques combinées à une modélisation mathématique ont mis en évidence l’influence du transport de protons sur les processus d’oxydo-réduction, la cinétique et le mécanisme de réduction de l’O2 (ORR), et sur H2O2 qui s’échappe des couches pendant l’ORR. Nous avons montré que (i) les protons sont impliqués dans l’étape limitante de la réaction, (ii) pour un pH ≥ 3, un plateau de courant limité par la diffusion des protons est observé et, (iii) pour un pH ≥ 3, le mécanisme de l’ORR implique non seulement les ions hydroniums mais aussi les molécules d’eau. L’intégration de ces couches catalytiques dans des PEMFCs haute température a ensuite été étudiée. Les performances obtenues sont légèrement plus basses que celles des couches conventionnelles. Un travail d’optimisation reste donc à accomplir pour améliorer les performances. / Ordered catalytic layers based on vertically aligned carbon nanofilaments with Pt nanoparticles demonstrate high efficiency for oxygen transport and Pt utilization in the catalytic layer. Electrochemical studies combined with mathematical modeling confirm the influence of the proton transport on surface red-ox processes, the kinetics and the mechanism of the O2 reduction (ORR), and on the H2O2 escape. We show that (i) protons are involved in the rate-determining step of the O2 reduction, (ii) for pH ≥ 3, a plateau corresponding to the diffusion-limited current of protons is observed and, (iii) for pH ≥ 3, the mechanism of the ORR involves not only the hydronium ions but also water molecules. The integration of these catalytic layers in high temperature PEMFCs was then studied. The performance is slightly lower than that for conventional layers. An optimization work is required to improve the performance.

Cette thèse concerne les phénomènes locaux qui se produisent dans une pile à combustible à membrane (PEMFC) fonctionnant en mode bouché. Ce mode de fonctionnement consiste à alimenter l’anode en hydrogène sec tout en maintenant sa sortie fermée ce qui favorise l’accumulation d’eau et d’azote (issus du compartiment cathodique) près de la sortie anodique. Certaines régions sont donc convenablement alimentées en gaz tandis que d’autres ne le sont plus. Ces déséquilibres s’accompagnent de hausses localisées de potentiel (à l'anode et à la cathode) qui accélèrent la dégradation du catalyseur et de son support carboné à la cathode. Afin d’étudier ces dégradations à une échelle locale, une cellule segmentée novatrice permettant la mesure simultanée des densités de courant et des potentiels locaux a été développée. Des protocoles de vieillissement accélérés reposant sur un fonctionnement prolongé en mode bouché montrent que les pics de potentiel ont pour conséquence, après quelques heures, une distribution non-uniforme de la surface active (ECSA) à la cathode et des courants le long de la cellule : les dommages sont plus prononcés dans les zones les plus touchées par le déficit en hydrogène. Des études paramétriques et un modèle numérique permettent de comprendre que le déficit en hydrogène résulte principalement de l’accumulation d’eau liquide dans les canaux de l’anode, bien que l'azote joue également un rôle. Par conséquent, la gestion de l’eau impacte fortement les variations de potentiel à la cathode et donc leurs conséquences en termes de dégradation ; basées sur ces constatations, des solutions sont proposées pour améliorer les durée de vie des piles / This work investigates the local transient phenomena occurring in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) operated with a dead-ended anode. The dead-end mode consists in closing the anode outlet, which leads eventually to local hydrogen starvation due to the excessive accumulation of liquid water and nitrogen (because of membrane crossover) in the anode compartment. Such fuel-starvation events may remain undetected but can entail a significant rise of the anode (and thus cathode) potentials and accelerate carbon corrosion and catalyst degradation. To access local information, we developed an innovative segmented linear cell with reference electrodes along the gas channels. By simultaneously monitoring the local potentials and current densities during operation, we assessed the impact of fuel starvation and observed strong local cathode potential excursions close to the anode outlet. Aging protocols based on fuel cell operation with a dead-ended anode (longer than in real use condition) showed non-uniform cathode ElectroChemical Surface Area (ECSA) losses and performance degradation along the cell area: the damage was more severe in the regions suffering the longest from fuel starvation. Parametric studies completed by numerical simulations showed that the fuel starvation is mainly governed by liquid water accumulation in the anode channels, as well as nitrogen crossover through the membrane. As a consequence, water management impacts significantly the cathode potential variations and thus the resulting electrode degradation. Starting from this founding, we propose strategies to improve fuel cell lifetime

Émanant d’une collaboration entre le laboratoire CNRS du GREMI et le CEA le Ripault, l’objectif de cette thèse est de réaliser une étude exhaustive sur les conditions d’élaboration des électrodes de pile à combustible PEMFC par procédés plasma, dont l’enjeu est d’améliorer l’activité électro-catalytique du catalyseur employé qu’est le platine (Pt). A même quantité, la répartition du platine sur son support se révèle être un critère déterminant sur les performances délivrées par les PEMFCs. De cette observation, plusieurs axes de recherche ont été proposés et chacun d’entre eux a permis d’obtenir de nouveaux résultats. Le régime de pulvérisation magnétron à haute puissance pulsée (HiPIMS) est étudié dans le cas de dépôt de matériaux nobles pures (Pt, Au, Pd) et alliés (Pt5Pd95 et Pt50Pd50) et a permis de révéler une vapeur métallique ionisée conséquente lors du dépôt (10 % à 90 % selon l’élément). Les résultats obtenus sur le régime HiPIMS ont permis la modification de la distribution d’une faible quantité fixée de Pt (20 μg.cm−2) déposée sur la profondeur des couches de diffusion des gaz (GDL), améliorant incidemment les performances des PEMFCs (+80 % à 0.65 V, la tension à puissance nominale). Ce résultat est complété par ceux obtenus sur l’élaboration de catalyseur alliés, notamment sur la disposition du matériel catalytique au niveau de la structure des agrégats (+93 % à 0.65 V pour Pt5Pd95 en dépôts successifs). Une autre étude a permis d’étudier la modification de répartition du Pt en contact avec la membrane électrolyte. La surface de membrane échangeuses de proton est alors initialement structurée. Ces structurations de surface des membranes montrent une amélioration globale des performances PEMFCs pour les architectures CCB (Catalyst Coated Backing) et CCM (Catalyst Coated Membrane) d’un facteur 1.3 jusqu’à 12, respectivement. / From a collaboration between the CNRS laboratory of the CEA and GREMI Ripault, the objective of this thesis is to conduct a complete study on the conditions for producing electrodes of PEM fuel cell by plasma processes in order to improve the electro-catalytic activity of the catalyst (Pt). The platinum atoms on its support appears to be a one of the most important factor determining the performance delivered by the PEMFCs. From this observation, several lines of research have been proposed and each of them has yielded new results. The High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) process is studied in case of depositions of noble materials (Pt, Au, Pd) and alloy (Pt5Pd95 and Pt50Pd50) and revealed an ionized metal vapor consequent upon deposition (10 % to 90 % depending of the element). The results obtained on the HIPIMS process have allowed a change in the distribution of a small fixed amount of Pt (20 μg.cm−2) deposited on the depth of the gas diffusion layer (GDL), incidentally improving the performance of PEMFCs (+80% at 0.65 V, the voltage at rated power). This result is complemented by those obtained on the development of allied catalysts, especially with the arrangement of the catalytic material on the aggregates structure (+93 % at 0.65 V for Pt5Pd95 in successive deposits). In order to modify the Pt atoms distribution on the membrane support, another study has been realized. The surface of the proton exchange membrane has been structurated before the Pt deposition. Such structuration have shown an increase of the overall performance of PEMFCs in the case of CCB (Catalyst Coated Backing) and CCM (Catalyst Coated Membrane) architecture with an improvement factor of 1.3 up to 12, respectively.

Le travail de thèse présenté ici apporte des éléments de compréhension sur l'influence de la gestion de l'eau et de la gestion thermique d'une PEMFC sur ses performances électriques. Un modèle bidimensionnel représentant les transferts de matière et de chaleur dans l'épaisseur d'une cellule élémentaire et le long des canaux d'alimentation est mis en place. Une partie spécifique de l'étude concerne la modélisation microscopique des agglomérats réactionnels et l'influence de l'eau présente dans ces zones actives sur les performances électriques locales et globales de la pile. Dans l'optique de réaliser un modèle pouvant s'intégrer à un système de contrôle, les transports couplés de l'eau liquide et vapeur, de la chaleur et des charges sont résolus analytiquement. Quelles que soient les conditions de fonctionnement, le modèle permet de calculer quel est l'état interne de la pile en terme d'hydratation, de production de courant et de chaleur. Le diagnostic de l'état interne de la pile en fonction des conditions opératoires permet de connaître précisément comment adapter les paramètres d'alimentation de la pile pour obtenir des performances électriques optimales. Les distributions locales d'eau, de courant et de température sont présentées en fonction de la stratégie d'alimentation en gaz de la pile et de l'orientation du circuit de régulation thermique. Une partie consacrée au diagnostic de fonctionnement d'une pile illustre en quoi l'utilisation du modèle et la connaissance de l'état interne de la pile apporte des informations primordiales lors de l'utilisation d'une pile à combustible / The present work contributes to the understanding of water management and thermal management of a PEM fuel cell influences on the electrical performances. A bidimensional model representing mass and heat transfer in the cell thickness and along distribution channels is done. A specific part of the study concerns a microscopic representation of reactive agglomerates. This part presents the impact of the liquid water presence on local and global current densities. In te vein of integrating this model in a total fuel cell control system, simplifications have been done and coupled mass, heat and charge transfers are solved analytically. For any operating condition, the model gives a complete view of the hydric, thermal and electric inner situation of the cell. This diagnosis of the inner state of the cell leads to find the operating conditions giving to the optimal electric performances. Water, current and temperature distributions are presenting for different gas feeding strategies and different thermal management configurations. A specific part is dedicated to illustrate how this local diagnosis of the cell state can be used to estimate its global electric performances

Les polymères sont à l’heure actuelle étudiés dans de nombreux domaines comme la chimie, la biochimie, les nanotechnologies, l'électronique, la médecine ou encore les sciences des matériaux et trouvent des applications dans des domaines comme l’industrie automobile, la chimie fine. L’objectif de cette thèse est de réaliser la fonctionnalisation de polymères et de modifier les propriétés de ces matériaux afin d’envisager des nouvelles applications. Nous nous sommes intéressés à des polymères de la famille des poly(aryle éther) et plus particulièrement au poly(éther éther cétone) (PEEK). Ce polymère est connu pour ses propriétés mécaniques, thermiques, électriques ou encore pour sa résistance aux produits chimiques. Dans le premier chapitre, il est question de la fonctionnalisation des différents polymères de départ par des fonctions chlorures de sulfonyle, acides sulfoniques et sulfonamides. Le second chapitre est consacré à la synthèse et à l’étude électrochimique de nouveaux électrolytes polymériques et à de nouvelles membranes pour d’éventuelles applications dans le domaine des batteries au lithium et au sodium, ainsi que dans le domaine des piles à combustible. Dans un troisième chapitre, la préparation de nouveaux catalyseurs métalliques dérivés d’acides sulfoniques polymériques est discutée. Une étude de l’activité catalytique de ces différents catalyseurs a été réalisée sur la réaction d’acylation de Friedel-Crafts. Le quatrième chapitre est consacré à la préparation de nouveaux matériaux ayant des propriétés optiques intéressantes. Enfin dans un cinquième chapitre, la préparation et l’étude de nouveaux matériaux ayant des propriétés antibactériennes sont exposées. / Polymers are now being studied in many fields such as chemistry, biochemistry, nanotechnology, electronics, medicine or material science and have applications in areas such as automotive industry, food industry, fine chemistry. The objective of this thesis is to achieve the functionalization of polymers and modify the properties of these materials in order to consider new applications. We were interested in polymers with the poly(aryl ether) motif, more particularly poly(ether ether ketone) (PEEK). This polymer is known for its mechanical, thermal, electrical properties and for its resistance to chemicals. In the first chapter, we present the functionalization of different polymers by sulfonyl chloride, sulfonic acid and sulfonamide functions. The second chapter is devoted to the synthesis and electrochemical study of novel polymeric electrolytes and new membranes for potential applications in the field of lithium and sodium batteries, as well as in the field of fuel cells. In the third chapter, the preparation of new metal catalysts derived from polymeric sulfonic acids is discussed. A study of the catalytic activity of these different polymeric catalysts was carried out on the Friedel-Crafts acylation reaction. The fourth chapter is devoted to the preparation of new materials with interesting optical properties. Finally, in the fifth chapter, the preparation and the study of new materials with antibacterial properties are reported.

Cette étude est dédiée au développement d’une anode pour une pile à combustible SOFC monochambre. Ce dispositif ne présente pas de séparation physique entre les compartiments anodique et cathodique, contrairement à une pile conventionnelle. Un mélange contenant de l’oxygène et un hydrocarbure est directement injecté sur l’ensemble du dispositif comprenant électrolyte, anode et cathode. La cathode doit être sélective à la réduction de l’oxygène et l’anode à l’oxydation de l’hydrocarbure. Ce dispositif permet donc de s’affranchir des problèmes d’étanchéité des dispositifs conventionnels mais les matériaux d’électrode doivent répondre à des critères catalytiques restrictifs. L’étude a été réalisée avec une anode de type cermet composée de nickel et d’oxyde de cérium gadolinié (CGO). L’hydrocarbure choisi est le propane. L’objectif du travail est de comprendre les phénomènes physico-chimiques se produisant à l’anode afin d’optimiser les conditions de fonctionnement de la pile monochambre, sous mélange O2 / C3H8. Pour cela, les propriétés catalytiques des poudres de nickel et de CGO ont été déterminées en fonction de la température et du rapport O2 / C3H8. Après avoir optimisé les paramètres de préparation des anodes par sérigraphie sur électrolyte support (CGO), des mesures de conductivité électrique par méthode Van der Pauw ont été réalisées également sous différents mélanges O2 / C3H8 en fonction de la température. La confrontation des résultats (propriétés catalytiques et électriques) a permis de mettre en évidence l’existence d’une température limite de fonctionnement, qui dépend du rapport O2 / C3H8. En-dessous de cette température limite, le nickel s’oxyde et l’anode catalyse principalement l’oxydation totale du propane. Au-dessus de cette température limite, le nickel reste sous la forme métallique et catalyse préférentiellement l’oxydation partielle du propane. Ces résultats sont également corroborés à des calculs thermodynamiques, qui mettent en évidence que la réaction préférentielle à basse température est l’oxydation du nickel. Des phénomènes d’oscillations de la conductivité électrique et de la température ont permis de proposer un mécanisme réactionnel basé sur le dépôt et l’oxydation de carbone. Enfin, des dispositifs complets monochambre ont été élaborés en utilisant une cathode BSCF (Ba0,5Sr0.5Co0,8Fe0,2O3) et testés. / This work is devoted to the development of a single chamber SOFC. Unlike a conventional SOFC, this type of fuel cell has no physical separation between the anodic and cathodic compartments. An oxygen and hydrocarbon mixture is injected directly on the overall fuel cell, including the electrolyte, the anode and the cathode. The cathode must have a high selectivity to the oxygen reduction, and the anode to the hydrocarbon oxidation. This device allows to avoid the conventional devices sealing problems, but the electrodes materials must fit with restrictive catalytic criterions. The study has been conducted with a cermet anode type, composed of nickel and gadolinia doped ceria (CGO). The selected hydrocarbon was the propane. The goal of this work is to understand physico-chemical processes taking place at the anode in order to optimize the operating conditions of the fuel cell, in an O2 / C3H8 mixture. The catalytic properties of nickel and CGO powders were determined as a function of temperature and O2 / C3H8 ratio. After optimization of the anode screen-printing conditions preparation on a CGO support, electrical measurements were done using the Van der Pauw method under different O2 / C3H8 mixtures as a function of temperature. The results of catalytic and electrical measurements show a limiting operating temperature, which depends on the O2 / C3H8 ratio. Below this limiting temperature, the nickel is oxidized and principally catalyses the total oxidation of the propane. Above this limiting temperature, nickel remains into its metallic state and preferentially catalyses the partial oxidation of the propane. These results are also corroborated to thermodynamics calculations, which show that at low temperature, the oxidation of nickel is the most favourable reaction. Some oscillations of the conductivity have been observed. Oscillations of electrical conductivity and temperature allowed proposing a reaction mechanism based on carbon deposition and oxidation. Finally, complete single chamber devices have been elaborated using a BSCF (Ba0,5Sr0.5Co0,8Fe0,2O3) cathode and tested.

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.