Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Engineered zeolitic materials: synthesis and application

Les zéolithes étant des matériaux cristallins microporeux ont démontré leurs potentiels et leur polyvalence dans un nombre très important d’applications. Les propriétés uniques des zéolithes ont poussé les chercheurs à leur trouver constamment de nouvelles utilités pour tirer le meilleur parti de ces matériaux extraordinaires. Modifier les caractéristiques des zéolithes classiques ou les combiner en synergie avec d’autres matériaux se trouvent être deux approches viables pour trouver encore de nouvelles applications. Dans ce travail de doctorat, ces deux approches ont été utilisées séparément, premièrement avec la modification morphologique de la ZSM-12 et deuxièmement lors de la formation des matériaux de type coeur/coquille (silice mésoporeuses@silicalite-1). La ZSM-12 est une zéolithe à haute teneur en silice qui a récemment attiré beaucoup l’attention par ses performances supérieures dans les domaines de l’adsorption et de la catalyse. Afin de synthétiser la ZSM-12 avec une pureté élevée et une morphologie contrôlée, la cristallisation de la zéolithe ZSM-12 a été étudiée en détail en fonction des différents réactifs chimiques disponibles (agent directeur de structure, types de silicium et source d’aluminium) et des paramètres réactionnels (l’alcalinité, ratio entre Na, Al et eau). Les résultats présentés dans cette étude ont montré que, contrairement à l’utilisation du structurant organique TEAOH, en utilisant un autre structurant, le MTEAOH, ainsi que le Al(o-i-Pr)3, cela a permis la formation de monocristaux ZSM-12 monodisperses dans un temps plus court. L’alcalinité et la teneur en Na jouent également des rôles déterminants lors de ces synthèses. Les structures de types coeur/coquille avec une zéolithe polycristalline silicalite-1 en tant que coquille, entourant un coeur formé par une microsphère de silice mésoporeuse (tailles de particules de 1,5, 3 et 20-45 μm) ont été synthétisés soit sous forme pure ou chargée avec des espèces hôtes métalliques. Des techniques de nucléations de la zéolithe sur le noyau ont été utilisées pour faire croitre la coquille de façon fiable et arriver à former ces matériaux. C’est la qualité des produits finaux en termes de connectivité des réseaux poreux et d’intégrité de la coquille, qui permet d’obtenir une stéréosélectivité. Ceci a été étudié en faisant varier les paramètres de synthèse, par exemple, lors de prétraitements qui comprennent ; la modification de surface, la nucléation, la calcination et le nombre d’étapes secondaires de cristallisation hydrothermale. En fonction de la taille du noyau mésoporeux et des espèces hôtes incorporées, l’efficacité de la nucléation se révèle être influencée par la technique de modification de surface choisie. En effet, les microsphères de silice mésoporeuses contenant des espèces métalliques nécessitent un traitement supplémentaire de fonctionnalisation chimique sur leur surface externe avec des précurseurs tels que le (3-aminopropyl) triéthoxysilane (APTES), plutôt que d’utiliser une modification de surface avec des polymères ioniques. Nous avons également montré que, selon la taille du noyau, de deux à quatre traitements hydrothermaux rapides sont nécessaires pour envelopper totalement le noyau sans aucune agrégation et sans dissoudre le noyau. De tels matériaux avec une enveloppe de tamis moléculaire cristallin peuvent être utilisés dans une grande variété d’applications, en particulier pour de l’adsorption et de la catalyse stéréo-sélective. Ce type de matériaux a été étudié lors d’une série d’expériences sur l’adsorption sélective du glycérol provenant de biodiesel brut avec des compositions différentes et à des températures différentes. Les résultats obtenus ont été comparés à ceux utilisant des adsorbants classiques comme par exemple du gel de sphères de silice mésoporeux, des zéolithes classiques, silicalite-1, Si-BEA et ZSM-5(H+), sous forment de cristaux, ainsi que le mélange physique de ces matériaux références, à savoir un mélange silicalite-1 et le gel de silice sphères. Bien que le gel de sphères de silice mésoporeux ait montré une capacité d’adsorption de glycérol un peu plus élevée, l’étude a révélé que les adsorbants mésoporeux ont tendance à piéger une quantité importante de molécules plus volumineuses, telles que les « fatty acid methyl ester » (FAME), dans leur vaste réseau de pores. Cependant, dans l’adsorbant à porosité hiérarchisée, la fine couche de zéolite silicalite-1 microporeuse joue un rôle de membrane empêchant la diffusion des molécules de FAME dans les mésopores composant le noyau/coeur de l’adsorbant composite, tandis que le volume des mésopores du noyau permet l’adsorption du glycérol sous forme de multicouches. Finalement, cette caractéristique du matériau coeur/coquille a sensiblement amélioré les performances en termes de rendement de purification et de capacité d’adsorption, par rapport à d’autres adsorbants classiques, y compris le gel de silice mésoporeuse et les zéolithes.