Élaboration et caractérisation de matériaux d'électrode nanostructurés pour l'électrolyse de l'urée et la production de l'hydrogène

La transition énergétique et l'amélioration de la qualité de l'eau et de l'air sont deux enjeux majeurs. Dans le secteur du traitement des eaux usées, ces deux défis peuvent être relevés simultanément, en traitant l'urée (polluant azoté) contenue dans les urines grâce à un réacteur électrochimique qui permet la dégradation de l'urée et la production de l'hydrogène selon la réaction idéale permettant de former des produits non toxiques à l'anode (N₂, CO₂) : CO(NH₂)₂ + H₂O  CO₂ + N₂ + 3 H₂ La première partie du travail s'est concentrée sur le développement de matériaux d'électrodes à base de nickel adaptés pour l'électrolyse de l'urée en milieu alcalin. Ces matériaux ont été élaborés et caractérisés à l'aide de différentes techniques, dont la diffraction des rayons X, la microscopie électronique à balayage, la spectrophotométrie et l'électrochimie. L'objectif était de sélectionner les matériaux les plus performants en termes de stabilité et de densité de courant ainsi que d'étudier l'influence de leur structure cristallographique sur les réponses électrochimiques. Un électrodépôt anodique nanostructuré a ainsi été testé et optimisé. Nous avons montré qu'il s'agissait de la phase désordonnée et hydratée α-Ni(OH)2. Un traitement hydrothermal de ce matériau a permis d'élaborer la phase plus compacte β-Ni(OH)₂. Ces deux traitements permettent d'augmenter le nombre de sites actifs par rapport à un substrat brut. Il est à noter que la phase β s'oxyde à un potentiel inférieur à celui de la phase α ce qui est avantageux pour l'électrolyse mais qu'il a tendance à évoluer vers la phase  β au cours des électrolyses. D'autres matériaux à base de nickel présentant des co-éléments ont également été synthétisés. Le second objectif du projet était la mise en pratique d'électrolyses en utilisant les matériaux précédemment optimisés ainsi que des solutions d'urée et d'urines synthétiques. Pour cela, il a été nécessaire de concevoir et mettre en oeuvre une cellule d'électrolyse particulièrement étanche au gaz de l'atmosphère. Les produits résultant de ces réactions ont été identifiés au moyen d'outils analytiques tels que la chromatographie en phase gazeuse (dosage de N₂, O₂ et H₂) et la spectrométrie UV-visible (dosage des nitrites) selon des protocoles qu'il a fallu mettre au point. A partir des dosages, il a été possible de déterminer les rendements faradiques des produits. Il a été montré pour des électrolyses de courtes durée que les rendements en N₂ étaient de l'ordre de 25 à 35% (25% pour α-Ni(OH)₂ et 35% pour β-Ni(OH)₂) et que la réaction principale était en fait la production de nitrites (~70%). Ce résultat va à l'encontre de ce qui était admis jusque-là, la réaction de production de N₂ étant considérée comme étant la seule à se produire. Ce résultat a cependant été également obtenu par d'autres auteurs récemment. Les rendements en produits formés par électrolyse de l'urine synthétique sont proches de ceux des solutions d'urée, avec toutefois un fraction de charge non attribuée qui pourraient correspondre à l'oxydation de composés tels que l'acide urique. En termes de perspectives, des efforts de recherche seront donc nécessaires afin d’élaborer des matériaux catalytiques plus sélectifs permettant d'améliorer le rendement de production de N₂ au détriment de celui des nitrites.