Cette thèse porte sur l’étude et le développement d’électrocatalyseurs à base d’iridium pour la réaction de dégagement de dioxygène (OER) dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons. En raison de la dégradation marquée des électrocatalyseurs en conditions OER, nous nous sommes particulièrement intéressés à la recherche d’un compromis optimal entre activité catalytique et stabilité. Différents électrocatalyseurs (supportés sur noir de carbone, supportés sur oxydes métalliques dopés et non-supportés) ont été synthétisés et caractérisés par des méthodes électrochimiques et physico-chimiques, notamment par spectroscopie photoélectronique X, microscopie électronique en transmission à localisation identique et spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif. Les électrocatalyseurs supportés sont les moins stables en conditions OER, notamment du fait de l’agglomération, la coalescence, la dissolution et le détachement des nanoparticules d’oxyde d’iridium. Ces deux derniers mécanismes de dégradation sont exacerbés par la corrosion des supports carbonés et la dissolution des éléments composant les supports oxydes métalliques dopés. Les électrocatalyseurs non-supportés offrent ainsi le meilleur compromis entre activité et stabilité. Les degrés d’oxydation Ir(III) et Ir(V) ont été identifiés comme les plus actifs pour l’OER en électrolyte acide tandis que l’oxyde Ir(IV) est le plus stable, l’espèce la moins stable étant l’iridium métallique Ir(0). La dégradation des couches catalytiques en cellule d’électrolyse PEM ne semble impacter que très peu les performances globales d’électrolyse par rapport à la dégradation des collecteurs de courant. / This thesis focuses on the study and the development of iridium-based electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) in proton exchange membrane water electrolyzers. This work investigates in particular electrocatalyst degradation phenomena and aims at reaching an optimal OER activity-stability ratio. Various electrocatalysts (supported on high-surface area carbon, supported on doped-metal oxides and unsupported) have been synthetized and characterized by electrochemical and physico-chemical methods such as X-ray photoelectron spectroscopy, identical-location transmission electron microscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry. Supported electrocatalysts feature stability limitations in OER conditions as revealed by agglomeration, coalescence, dissolution, and detachment of iridium oxide nanoparticles, these last two degradation mechanisms being amplified by corrosion of the carbon supports and dissolution of the elements composing the doped metal oxide supports. Unsupported electrocatalysts currently represent the best compromise between OER activity and stability. Ir(III) and Ir(V) oxides were shown to be the most active towards the OER while Ir(IV) oxide is the most stable, the least stable species being metallic iridium Ir(0). In real PEM water electrolyzers, the global electrolysis performance seems to be less impacted by the degradation of catalytic layers than the degradation of current collectors.

Les électrocatalyseurs nanostructurés à base de fer, de carbone et d’azote (Fe/C/N) sont de bonnes alternatives au platine dans les piles à combustible acide. Les Fe/C/N sont synthétisés par pyrolyse laser et sont obtenus à partir de deux précurseurs de fer (FeOOH ou Fe(acac)3), de la pyridine, (avec ou sans méthilimidazole) en présence de NH3. La variation de la fraction volumique de NH3 (RNH3) est étudiée sur une large gamme. Les caractéristiques physico-chimiques des matériaux évoluent de façon monotone avec la variation de RNH3. Les analyses par XPS permettent d’identifier une phase assimilable à du nitrure de fer pour les fortes valeurs de RNH3. Les matériaux les plus actifs en éléctrochimie sont ceux contenant une phase de nitrure de fer. Ceci suggère que la présence de nitrure de fer, permet la formation de sites actifs pour la réduction de O2..L’utilisation de toluène (mélangé à de la pyridine ou à du méthylimidazole) en présence ou non de Fe(acac)3 permet d’obtenir de nouveaux matériaux Fe/C/N ou C/N. Les matériaux C/N moins actifs que ceux contenant du fer, indiquent la présence de sites actifs à base de fer. Des recuits sous Ar ou sous NH3 à 1100°C améliorent l’activité des matériaux. Elle est due à l’élimination de sites azotés inactifs et à la transformation de sites pyridiniques en sites graphitiques. Le recuit sous NH3, plus efficace que celui sous Ar, induit une augmentation de la surface spécifique (Sspé max > 1100 m²/g). Pour un même matériau recuit sous Ar ou sous NH3 la sélectivité de la réduction de O2 (n) atteint 3,70 e- contre 3,93 e- respectivement. Le plus actif d’entre eux atteint un Edép > 950mV/ENH. / Nanostructured Iron-nitrogen-carbon (Fe/N/C) electrocatalysts is a good substitute for platinum in acidic fuel cells. Laser pyrolysis synthesis allows to obtain iron nanocomposites (Fe/N/C). The reaction involves two iron precursors, FeOOH and Fe(acac)3, combined with pyridine (and possibly methylimidazole) in the presence of NH3. The effect of large range variations of NH3’s volume fraction (RNH3) in the reactions is studied. Physicochemical properties of the materials increase monotonically with RNH3. XPS analysis shows that an iron nitride phase appears when RNH3 increase, and electrochemical analysis shows that materials with this iron nitride phase are the most active ones. These results suggest that iron nitride presence triggers the formation of active sites for the oxygen reduction reaction (ORR).Finally, we synthetize new Fe/N/C, or N/C materials using toluene (mixed with pyridine or methylimidazole) in the presence or absence of Fe(acac)3. The obtained Fe/N/C materials are more active than the N/C materials which indicates that iron plays a role in the presence of active sites for the ORR. Annealing under Ar or NH3 at a temperature of 1100°C increases the activity of all the materials. This improvement is due to the suppression of inactive nitrogen sites, and the transformation of some pyridinic sites to graphitic sites. Annealing under NH3 is more effective under Ar beacuse of the increase of the specific surface area (Sspe max > 1100 m2/g). For the same material annealed under Ar versus NH3, the selectivity (n) of the ORR goes from 3.70 up to 3.93 e- respectively. The most active one reaches Edep > 950 mV/ENH.

Cette thèse a été initialement motivée par la compréhension de l’activité électrocatalytique particulière de particules PtNi/C creuses pour l’electroréduction du dioxygène (ORR). L’étude des mécanismes de formation et croissance de ces particules creuses, grâce à des techniques operando basées sur l’interaction rayons X- et/ou électrons-matière, a permis de montrer que les défauts cristallins améliorent les propriétés électrocatalytiques de nanomatériaux bimétalliques pour l’ORR. Le concept de « catalyseur défectueux » a pu être progressivement étendu à d’autres nanostructures PtNi, notamment des nanocatalyseurs à forme contrôlée, grâce à de fructueuses collaborations avec d’autres laboratoires européens. Ce travail montre, qu’en raison de la distorsion de leur surface, les nanomatériaux défectueux présentent des propriétés de chimisorption uniques, définissant ainsi une nouvelle classe de catalyseurs prometteurs et stables. / This PhD thesis was initially motivated by the understanding of the peculiar electrocatalytic activity of hollow PtNi/C nanoparticles for the oxygen reduction reaction (ORR). Investigations on the formation and growth mechanism of this novel class of nanocatalysts using operando X-ray and electron-based techniques revealed that, beyond alloying effects, structural disorder is a lever to boost the ORR kinetics on bimetallic nanomaterials. The ‘defects do catalysis’ concept was progressively extended to various PtNi catalyst nanostructures, namely to advanced shape-controlled nanocatalysts from the ORR electrocatalysis landscape thanks to fruitful collaborations with European laboratories. This work shows that, through their distorted surface, microstrained nanomaterials feature unprecedented adsorption chemisorption properties and represent a viable approach to sustainably enhance the ORR activity.