a soutenu sa thèse le 27 novembre 2015.
Nouveaux combustibles à base de borane pour des piles à combustible direct
Préparée au sein de l’école doctorale Sciences Chimie Balard et de l’Institut Européen des Membranes de Montpellier.
Spécialité : Chimie, physico-chimie des matériaux et électrochimie
devant le jury composé de :
- Mr Umit DEMIRCI, Professeur, Université Montpellier – Directeur
- Mr Marc CRETIN, Professeur, Université Montpellier – Co-Directeur
- Mr Christophe COUTANCEAU, Professeur, Université de Poitiers -Rapporteur
- Mr Emmanuel CADOT, Professeur, Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines – Rapporteur
- Mr Frédéric FAVIER, Directeur de Recherche au CNRS, Institut Charles Gerhardt – Examinateur
- Mme Bérangère TOURY, Maître de Conférences, HDR, Université Lyon 1 – Examinatrice
- Mr Philippe MIELE, Professeur, Université Montpellier – Invité
- Mr Philippe SISTAT, Maître de Conférences, Université Montpellier – Invité
Résumé :
Au XXI siècle, l’électricité est devenue une chose indispensable pour le fonctionnement normale de la société. Avec les problèmes écologiques et énergétiques actuels, les nouvelles sources d’énergie doivent être moins polluantes, plus efficaces et avoir une taille réduite pour une utilisation optimale dans des dispositifs mobiles et portables. Une des technologies très prometteuse d’aujourd’hui est la pile à combustible. Il existe une grande variété de piles à combustible, qui se différencient par le combustible utilisé (gaz ou liquide), la température de fonctionnement (20–1000°C), la conception, etc. Mes recherches sont basées autour d’une pile à combustible à liquide direct. Avec ses avantages de stockage facile du combustible (solution aqueuse), d’utilisation des catalyseurs en métaux non-nobles (métaux de transition, oxydes et alliages), d’une basse température de fonctionnement (60–80 °C) et des valeurs de la force électromotrice et d’énergie massique élevée, la pile à combustible à liquide direct est très attractive comme source d’énergie alternative. Nous avons décidé d’améliorer ce concept de pile en utilisant un polyborane comme combustible, parce qu’il est stable dans une solution aqueuse et génère beaucoup d’électrons par électrooxydation à la surface d’une anode. Comme candidats potentiels, nous avons choisi l’octahydrotriborate de sodium NaB3H8 et le dodécahydro-dodécaborate de sodium Na2B12H12, qui sont tous deux biens solubles et stables dans l’eau. De plus, ils n’ont jamais été testés comme combustible pour une pile à combustible liquide direct. Les travaux réalisés pendant les trois années de ma thèse sont décrits dans mon manuscrit, qui comprend cinq chapitres principaux : – Introduction générale : dans ce chapitre est décrit le contexte de la thèse et son objectif ; – Etude bibliographique : ce chapitre permet de mieux comprendre la problématique de la thèse, les propriétés physico-chimiques et électrochimiques des boranes et sels, et de compiler les recherches déjà faites sur ce sujet dans la bibliographie ouverte, et, finalement, de fixer l’axe de déroulement de mon travail ; – Synthèses et études physico-chimiques de deux polyboranes : ce chapitre présente la synthèse et les propriétés physico-chimique de deux polyboranes choisis ; – Etude électrochimique de deux polyboranes : dans ce chapitre sont rapportés le comportement électrochimique de deux polyboranes synthétisés, leur efficacité sur différents électrocatalyseurs en tant que combustible pour pile à combustible liquide direct ; – Conclusion générale et perspectives : ce chapitre termine le manuscrit par une conclusion finale sur les résultats obtenus concernant les propriétés physico-chimiques et électrochimiques des deux polyboranes synthétisés ; aussi des perspectives pour le développement du sujet, qui est nouveau dans l’équipe, sont proposés. En résumé, ce sujet nous a permis d’aborder la chimie des polyboranes, les particularités de leur synthèse et l’étude de leurs propriétés physico-chimiques ; en outre, cette étude a permis d’élargir les connaissances sur l’électrooxydation directe de polyboranes à la surface d’anode et ainsi, d’améliorer la technologie de pile à combustible liquide direct.
Mots clés en français : Pile à combustible direct, Electrooxydation, Synthèse, Polyboranes, Recyclabilité.
Abstract:
In the XXI century, electricity has become an indispensable thing for the normal functioning of society. With the current environmental and energy problems, new sources of energy must be cleaner, more efficient and have a small size for use in mobile and portable devices. A very promising technology for today is the fuel cell. There are a wide variety of fuel cells which differ by the fuel (gas or liquid), operating temperature (20–1000 ° C), design, etc. My researches are based on a Direct Liquid Fuel Cell. Liquid fuel cell is very attractive as an alternative energy source with its advantages, like easy storage of the fuel (aqueous solution), use of the non-noble metal catalysts (transition metals, oxides and alloys), a low operating temperature (60–80 ° C) and high values of electromotive force and energy density. We decided to improve upon this concept of fuel cell by using a polyborane as fuel, because it is stable in aqueous solution and generates a large number of electrons by electro-oxidation at the surface of an anode. As potential candidates, we chose sodium octahydrotriborate NaB3H8 and sodium dodecahydro-dodecaborate Na2B12H12, which are both soluble and stable in water. Moreover, they have never been tested as fuel for a direct liquid fuel cell. The thesis work realized during the three years is described in my manuscript, which includes five main chapters: – General Introduction: In this chapter, the background of the thesis and its objective are described; – Literature review: This chapter provides insight into the problem of the thesis, the physico-chemical and electrochemical properties of borane and salts and compilation of existing research on this topic in the open literature, and finally, to fix a line of work for my thesis; – Synthesis and physicochemical studies of two polyboranes: This chapter discusses the synthesis and physicochemical properties of two selected polyboranes; – Electrochemical Study of two polyboranes: in this chapter are reported the electrochemical behavior of two synthesized polyboranes, their efficacy on different electrocatalysts as fuel for Direct Liquid Fuel Cell; – General conclusion and prospects: This chapter concludes the manuscript with a final conclusion on the results of the physico-chemical and electrochemical properties of both synthesized polyboranes; also prospects for the development of the new subject in the team, are proposed. Resuming, this topic has allowed us to approach the chemistry of polyboranes, the details of their synthesis and study of their physico-chemical properties; furthermore, this study allowed us to expand knowledge on the direct electro-oxidation of polyboranes at the anode surface and, thus, to improve the direct liquid fuel cell technology.
Keywords: Direct fuel cell, Electrooxydation, Synthesys, Polyboranes, Recyclability.
