Étude de la cinétique de lixiviation et du mécanisme de la réaction du dégagement d'hydrogène sur les électrodes composites de nickel de Raney

Abstract

L'utilisation de l'hydrogène produit par électrolyse de l'eau est une solution potentielle aux problèmes énergétiques et environnementaux. Par contre, les coûts de production doivent être minimisés d'où l'importance du développement de matériaux d'électrode adéquats. Ainsi une nouvelle méthode de fabrication d'électrodes poreuses de nickel de Raney par électrocodéposition a été développée. La technique consiste essentiellement à maintenir une distribution homogène des particules de NiAl en solution à l'aide d'un dispositif motorisé permettant la rotation de la cellule de placage. La lixiviation (ou activation chimique) en milieu alcalin de ces électrodes a été étudiée. L'influence de la température, de la concentration en NaOH et de l'agitation de la solution sur la cinétique de lixiviation a été déterminée. La variation de la morphologie, de la structure et de la composition des électrodes durant la dissolution de l'aluminium métallique a été étudiée à l'aide de plusieurs techniques spectroscopiques et électrochimiques. Les performances électrocatalytiques de ces électrodes pour la réaction du dégagement d'hydrogène ont été évaluées dans des solutions 1.04 M et 30% pds NaOH à 70 °C. Les surtensions moyenne pour une densité de courant de 250 mA cm- 2 sont de 60 (1.04 M NaOH) et 120 mV (30% pds NaOH) pour des électrodes activées électrochimiquement. La formation d'hydroxydes de nickel à potentiel contrôlé est à l'origine de l'excellente électroactivité de l'électrode. L'effet de la limite de potentiel, de la vitesse de balayage et de la température sur l'activation électrochimique a été étudié. La désactivation de l'électrode a également été observée suite à de longues polarisations cathodiques. La présence des différents oxydes ou hydroxydes de nickel à la surface de l'électrode ainsi que l'effet des impuretés de la solution alcaline ont été étudiées. Le comportementd e l'électrode dopée au Ti et/ou au Mo a également été expérimenté. Le mécanisme de la réaction du dégagement d'hydrogène a été déterminé par spectroscopie d'impédance pour des électrodes chimiquement et électrochimiquement activées dans une solution 1. 04 M NaOH à 70 °c. Le mécanisme a également été étudié pour des électrodes électrochimiquement activées dans une solution 30% pds NaOH à 70 °c (conditions industrielles). Les pentes de Tafel sont de 110 et 70 mV décade-1 respectivement pour les électrodes activées chimiquement et électrochimiquement. Les mécanismes Volmer-Heyrovsky-Tafel (étape lente Volmer) et Volmer-Heyrovsky (où les deux étapes contrôlent la réaction) caractérisent les deux états d'activation de l'électrode. Les électrodes électrochimiquement activées sont plus performantes dans une solution 1. 04 M NaOH par rapport à 30% pds NaOH car les étapes de transfert électronique [k1 (Volmer) et k2 (Heyrovsky)] sont plus rapides. Le taux de recouvrement de l'électrode en atomes d'hydrogène adsorbés est faible dans le cas de l'électrode chimiquement activée(ΘH,max - 0.11) alors qu'il est plus élevé pour l'électrode électrochimiquement activée (ΘH,max - 0.28). La présence d'un bon conducteur protonique (β-Ni(OH)2) est à la source de cette différence et des propriétés exceptionnelles de l'électrode.