Electrodeposition of Co, Ni-based Alloys in Ionic Solutions and their Electrocatalytic Propert
Électrodéposition de alliages à base de Co, Ni en solutions ioniques et leurs propriétés électrocatalytiques
Résumé
The use of fossil energy, one of the main contributors to carbon emissions and a major source of pollution, has become a hot topic of discussion in recent years. Predicted energy shortages and the resulting environmental challenges are forcing mankind to look for alternatives to fossil fuels. Hydrogen is attracting increasing attention as a clean energy source, with high energy density and minimal emissions. It represents a promising, low-carbon energy carrier ready to supplant fossil fuels, particularly in the demanding industrial and transport sectors, where decarbonization is particular difficult to implement. According to existing literature, there are three main methods for producing hydrogen: hydrogen production from (i) fossil fuels, (ii) gasification, and (iii) water splitting. Water electrolysis under renewable resource conditions can practically eliminate carbon emissions, which is a significant difference compared to hydrogen production from fossil fuels (66 gCO2 e/MJ) or gasification (55 gCO2 e/MJ). Clearly, hydrogen production by electrolysis under ideal conditions has the distinct advantage of being environmentally friendly, with a low carbon footprint. Furthermore, water electrolysis offers many advantages, including the production of high-purity hydrogen, the simultaneous production of oxygen as a by-product, and simple installation. Although the hydrogen evolution reaction (HER) by water electrolysis provides numerous advantages for hydrogen production applications, its industrial adoption remains relatively limited, especially behind the production of hydrogen from fossil fuels. One of the main obstacles to its widespread use is the choice of electrocatalytic materials. Precious metals have exceptional electrocatalytic properties; however, their high cost and limited abundance on earth limit their practical application in all industries. Consequently, the search for cost-effective alternatives involving transition metals and the improvement of electrocatalyst performance through alloying and adjustments of surface morphology has emerged as important and dynamic lines of research. A wide range of techniques have been explored for synthesizing transition metal alloys used in electrocatalytic HER. Among these methods, electrodeposition stands out for its streamlined process, ease of implementation, and precise control, making it a versatile choice for large-scale applications. However, the hydrolysis of water during electrodeposition poses a problem. This can be effectively resolved by employing ionic liquids (ILs) as electrolytes, which are becoming increasingly popular due to their wide electrochemical window, high ionic conductivity, and user-friendly characteristics arising from their non-volatile and non-flammable nature. Surprisingly, research on the electrodeposition of alloys in ionic liquids remains relatively scarce. Consequently, combining the electrodeposition of alloy electrocatalysts with ionic liquids represents an attractive avenue to explore. In this work, we address the following questions: (1) Is it possible to prepare transition metal-based alloys by electrodeposition in ionic liquids? (2) What kinds of alloys can be prepared by electrodeposition in ionic liquids? (3) What is the impact of other elements (Co, Zn, Cu) on the HER properties of alloys? (4) How can the HER properties of alloys be enhanced by surface modification (dealloying)?
Le développement de diverses applications utilisant l’hydrogène en tant que vecteur énergétique ouvre des voies prometteuses pour l'avenir. L’hydrogène peut être produit de différentes manières, l’une d’entre elles est l’électrolyse de l’eau et plus particulièrement sa réduction qui conduit à la production d’hydrogène (connue sous le nom de Hydrogen Evolution Reaction, HER). Cette technique nécessite l’emploi d’électrocatalyseurs performants. À l'heure actuelle, les catalyseurs à base d'alliages ou de composés de métaux nobles se distinguent par leur rendement électrocatalytique exceptionnel dans le cadre de la production d'hydrogène. Cependant, leur coût élevé et leurs réserves limitées compliquent leur utilisation à grande échelle dans l'industrie. C'est pourquoi il est impératif de concevoir et de développer de nouveaux matériaux permettant de produire de l'hydrogène économiques et respectueux de l'environnement. Ces dernières années, de nouveaux matériaux, notamment les alliages à base de métaux de transition tels que le nickel (Ni) et le cobalt (Co), ont été proposés et ont démontré d'excellentes propriétés catalytiques. Cependant, réduire davantage les coûts de préparation tout en améliorant les performances catalytiques et en respectant l'environnement s'avère être un défi de taille. C'est pourquoi, dans cette étude, nous mettrons l'accent sur la préparation d'alliages par électrodépôt, une méthode économique, et nous explorerons les effets de la composition élémentaire, de la structure de phase et de la morphologie de surface sur les performances électrocatalytiques. Au cours du processus d'électrodéposition, nous employons des électrolytes non conventionnels, communément désignés sous l'appellation de liquides ioniques. Comparativement aux solutions aqueuses, ces liquides ioniques présentent une teneur en eau considérablement moindre. Cette particularité sert à réduire la formation d'oxydes de métaux de transition. Par ailleurs, les liquides ioniques se caractérisent par une fenêtre électrochimique élargie, ce qui élargit notre éventail d'options en termes d'éléments d'alliage. Cette diversification nous autorise à scruter l'influence de divers éléments sur les performances de l'évolution de l'hydrogène, offrant ainsi des perspectives précieuses. De plus, la surface spécifique de l'électrocatalyseur joue un rôle central dans l'incidence sur les performances de la génération d'hydrogène. Une méthode connue sous l'appellation de désalliage est employée pour éliminer sélectivement une fraction des éléments d'alliage, ce qui conduit à la formation d'une structure nanoporeuse. Cette modification accroît davantage la surface spécifique du matériau. Nous avons mené avec succès l'électrodépôt d'alliages à base de Ni/Co dans des liquides ioniques ou des solvants eutectiques profonds (DES) en vue de préparer des électrocatalyseurs, puis nous les avons soumis à un traitement de surface par désalliage, fournissant ainsi de nouvelles informations sur le développement de matériaux pour la production d'hydrogène.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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