fr.wedoany.com Rapport : Aidimme (Institut technologique de la métallurgie, de l'ameublement, du bois, de l'emballage et des secteurs connexes) a développé et validé, dans le cadre du projet SUR-FA, une approche globale pour fabriquer des électrodes poreuses à structure contrôlée, à surfaces multi-niveaux et à comportement électrocatalytique adapté aux conditions réelles. Ce projet a validé une méthodologie allant de la conception à la fabrication d'électrocatalyseurs, couvrant la géométrie, les technologies de fabrication 3D, les matériaux, la modification de surface et la fabrication du réacteur, constituant un processus où chaque étape influence directement les performances de l'électrode et son adaptation à l'application prévue.
L'étude considère l'électrode comme un système fonctionnel où la géométrie interne, les propriétés des matériaux et la chimie de surface interagissent de manière interdépendante, plutôt que de traiter ces éléments séparément comme traditionnellement. La structure ne répond plus uniquement à des critères de construction, mais devient un élément actif influençant des paramètres physiques tels que le transfert de masse, le transport ionique, la conduction électronique et la distribution du courant. La fabrication additive permet ici de créer directement des structures sur mesure, générant des structures poreuses périodiques qui ont un impact décisif sur le transfert de masse, la distribution du courant et la résistance ionique. Ces substrats de haute précision sont ensuite modifiés en surface pour obtenir des structures hiérarchiques hautement ordonnées et dopés avec des catalyseurs, destinés aux surfaces électrocatalytiques dans les domaines de l'énergie et de l'environnement.
Le développement commence par la conception structurelle des électrodes poreuses, en introduisant des paramètres tels que la taille des pores, la connectivité des canaux, le type de structure, la tortuosité et le rapport surface/volume. L'étude a considéré deux types de structures : les structures en treillis et les structures TPMS (surfaces minimales triplement périodiques). Les structures en treillis sont basées sur des réseaux périodiques de barres et de nœuds, offrant une rigidité mécanique élevée, mais les nœuds introduisent des discontinuités géométriques augmentant la tortuosité ; les structures TPMS représentent des géométries continues de courbure moyenne nulle, appliquées au projet via la structure Flexa, éliminant les discontinuités, favorisant les canaux interconnectés et réduisant les pertes hydrauliques. Quatre structures représentatives ont été sélectionnées parmi plus de 20 configurations initiales : Flexa, Octet Truss, Diamond 20 et Dode-medium.
La méthode expérimentale se divise en phases interconnectées : d'abord la définition des cellules unitaires et des paramètres de conception, suivie d'une modélisation multi-échelle. La phase pilote a utilisé la fabrication additive de polyamide par technologie Multi Jet Fusion pour valider la continuité structurelle ; ensuite, les structures sélectionnées ont été fabriquées en titane et en cuivre par fusion sur lit de poudre par faisceau d'électrons. Pour la modification de surface, des traitements de nettoyage et de conditionnement ont été appliqués, suivis de la génération de nanostructures contrôlées (nanotubes, nanopores, nanofeuilles) par des procédés électrochimiques, chimiques et thermiques. L'anodisation a été utilisée pour obtenir des structures de dioxyde de titane sur substrat de titane, et des nanofeuilles ou nanofils d'oxyde de cuivre sur substrat de cuivre.
D'un point de vue physique, la structure Octet Truss présente une rigidité mécanique et une tortuosité élevées, augmentant le temps de séjour mais limitant le transport ionique ; la structure Flexa est équilibrée, avec de faibles turbulences d'écoulement, une faible perte de charge et une connectivité élevée ; Diamond 20 offre une stabilité structurelle à porosité élevée ; Dode-medium maximise le transport de l'électrolyte. Le projet a développé des réacteurs allant de la caractérisation à petite échelle à l'intégration d'électrodes de 100 x 100 mm, optimisant l'écoulement de l'électrolyte et la distribution du courant.
La validation expérimentale a été réalisée dans des applications telles que la production d'hydrogène, l'oxydation du glycérol et la réduction des nitrates. Pour la production d'hydrogène et l'oxydation du glycérol, des électrodes à structure Dode-medium ont été utilisées, dont les micro- et nanostructures de surface favorisent l'adsorption des espèces intermédiaires. Les résultats montrent que la synergie entre la structure 3D conçue, la modification et le dopage au nickel a multiplié par 10 la production d'hydrogène cathodique dans les processus photoelectrocatalytiques, et par 15 la densité de courant d'oxydation anodique du glycérol. Pour la réduction électrochimique des nitrates en ammonium, un taux d'élimination des nitrates de 100 % et une sélectivité en ammonium supérieure à 60 % ont été atteints pour des eaux salines réelles à forte charge en nitrates.
Actuellement, le projet ECO-RECEL, promu par Aidimme et soutenu par Ivace+i et le Fonds FEDER de l'Union européenne, convertit la cellulose de pin d'Alep en produits à haute valeur ajoutée par voie chimique-électrochimique, validant les quatre configurations étudiées dans SUR-FA. Les résultats préliminaires indiquent que la conception de l'électrode est un facteur important, en particulier dans les réacteurs à écoulement. Le projet SUR-FA a établi une méthode complète de conception et de validation d'électrodes poreuses performantes, démontrant que la conception doit être liée au processus final et à l'application, ouvrant de nouvelles possibilités pour l'application de technologies avancées dans les domaines de l'énergie et de l'environnement.
