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Catalyseurs modèles

par Rosso Michel - publié le , mis à jour le

Contact : F. Maroun

Un des sujets de recherches de l’équipe ECM est la synthèse et la caractérisation de couches minces d’oxydes pour l’évolution de l’oxygène (OER). Cette réaction est l’étape limitante dans la décomposition de l’eau. Un grand nombre de publications a montré que les oxydes de métaux de transition sont de bons catalyseurs pour l’OER sans une explication fondamentale claire sur le processus catalytique. L’équipe ECM s’est attelée à cette problématique (dans le cadre d’un projet ANR avec l’équipe d’O. Magnussen en Allemagne) avec une approche originale basée sur la fabrication et la caractérisation de couches d’oxydes épitaxiées et atomiquement planes. La caractère modèle de ces couches et les caractérisations operando nous a permis de déterminer l’état de la surface du catalyseur en conditions réactionnelles. Nous avons développé et mis au point des méthodes de synthèses pour préparer des couches d’épaisseur 10-40 nm de Co3O4, de CoOOH, de CoFeOx et de Fe3O4, déposées électrochimiquement sur des cristaux d’or [Pacheco2023]. Nous avons mis en évidence par diffraction des rayons X (XRD) operando sur les films de Co3O4 la transformation réversible de la surface du film sur une épaisseur sub-nanométrique avant le début de l’OER [Reikowski2019, Wiegmann2022]. Nous avons caractérisé l’état redox de surface par absorption des rayons (XANES) operando aux seuils du Co et montré que l’état d’oxydation du Co à la surface du film passe de 2.7 à 3. Ceci montre que la phase qui se forme à la surface de Co3O4 pendant l’OER est de type CoOOH [Bouvier2023].

Images AFM des dépôts de Co3O4 (en haut à gauche), activité catalytique pour l’évolution d’oxygène (en haut à droite), schéma représentant la transformation de surface en fonction du potentiel (en bas).

Thèses récentes : Ivan Pacheco Bubi (2021) et Mathilde Bouvier (2021)
Collaborations : Institute of experimental and applied physics, université de Kiel (Allemagne)
Financements : ANR EC-MEC

Publications récentes :
[Bouvier2023] Bouvier, M., Bubi, I. P., Wiegmann, T., Qiu, C. R., Allongue, P., Magnussen, O. M., Maroun, F., Unraveling the Cobalt Oxidation State at the Surface of Epitaxial Cobalt Oxide Films during the Oxygen Evolution Reaction by Operando X-ray Absorption Spectroscopy/Surface X-ray Diffraction, ACS APPLIED ENERGY MATERIALS, 2023, 6, 7335-7345
[Pacheco2023] Pacheco, I., Bouvier, M., Magnussen, O. M., Allongue, P., Maroun, F., Growth of Ultrathin Well-Defined and Crystalline Films of Co3O4 and CoOOH by Electrodeposition, JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, 2023, 170, 012501
https://doi.org/10.1149/1945-7111/acafaa
[Reikowski2019] Reikowski, F., Maroun, F., Pacheco, I., Wiegmann, T., Allongue, P., Stettner, J., Magnussen, O. M., Operando Surface X-ray Diffraction Studies of Structurally Defined Co3O4 and CoOOH Thin Films during Oxygen Evolution, ACS CATALYSIS, 2019, 9, 3811-3821
https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04823
[Wiegmann2022] Wiegmann, T., Pacheco, I., Reikowski, F., Stettner, J., Qiu, C. R., Bouvier, M., Bertram, M., Faisal, F., Brummel, O., Libuda, J., Drnec, J., Allongue, P., Maroun, F., Magnussen, O. M., Operando Identification of the Reversible Skin Layer on Co3O4 as a Three-Dimensional Reaction Zone for Oxygen Evolution, ACS CATALYSIS, 2022, 12, 3256-3268
https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05169