Stage post-doctoral (H/F) : Développement d'électrodes pour l'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau

Les missions du poste

La mission proposée s’inscrit dans le projet CELCER-EHT (Cellules Céramiques EHT durables, performantes et bas coût) financé par le PEPR-H2 (Programmes et Equipements Prioritaires de Recherche sur l’hydrogène décarboné). La stratégie de recherche est centrée sur le développement de matériaux et de procédés et se décline selon deux axes. Le premier axe vise à améliorer les matériaux de cellule actuels (état de l’art) les plus prometteurs en optimisant leurs compositions, leurs microstructures et leurs interfaces : cermet Ni-YSZ, zircone dopée à l’yttrium (YSZ) et oxydes de structure perovskite de type LSCF. De nouveaux matériaux de cellule seront ensuite développés et de nouvelles microstructures seront proposées. L'objectif principal de cette mission est d'identifier les paramètres clés pour améliorer la durabilité en fonctionnement tout en maintenant une activité suffisante pour la production d’hydrogène à l’électrode négative et d’oxygène à l’électrode positive à partir de caractérisations électrochimiques appropriées. Les méthodes électrochimiques jouent un rôle central pour comprendre les mécanismes à l’origine de la baisse de performances ou de la dégradation.
Activités
Les propriétés électrochimiques des cellules élaborées par le consortium du projet vont être déterminées à partir de courbes densité de courant – tension stationnaires et de mesures de spectroscopie d’impédance complexe en mode électrolyse à haute température. Le protocole de test a été défini à partir de la caractérisation de la cellule de référence du projet sur la base de l’assemblage Ni-YSZ (ZrO2 - 8 mol. % Y2O3)/YSZ/GDC (GdxCe1-xO2)/LSCF (La1-xSrxCo1-yFeyO3)-GDC.
Caractérisation électrochimique de cellules symétriques
Les cellules symétriques anodiques (électrode à oxygène) et cathodiques (électrode à hydrogène) seront basées sur les matériaux de référence améliorés, en termes de composition et de microstructure, puis sur de nouveaux matériaux : des cermets à base de nickel pour l’électrode négative et des composites incluant GDC (oxydes sur-stoechiométriques en oxygène et produits de décomposition) pour l’électrode positive. Les cellules anodiques seront caractérisées en fonction de la température (700 – 800 °C) et de la pression partielle d’oxygène p(O2). Les réponses cathodiques seront déterminées dans la même gamme de températures en fonction du rapport p(H2O)/p(H2). L’influence du débit gazeux cathodique sur les réponses électrochimiques sera étudié à 750 °C. Ces mesures seront complétées par la caractérisation des assemblages considérés par diffraction des rayons X (DRX) et par spectroscopie Raman. Les paramètres expérimentaux obtenus serviront de données d’entrée et permettront de calibrer les modèles de cinétiques électrochimiques élémentaires mis en place par le CEA-Liten de Grenoble.
Caractérisation électrochimique de cellules complètes
Les cellules complètes, de surface inférieure à 10 cm2, intégrant les matériaux de référence améliorés et les nouveaux matériaux seront testées en performance et durabilité sur des durées jusqu’à 1000 h en mode galvanostatique. Les tests seront entrepris à 750 °C et 800 °C, en fixant le rapport p(H2O)/p(H2), la densité de courant et le taux de conversion de la vapeur d’eau. La reproductibilité des résultats sur les mesures de performances sera déterminée à 750 °C pour un rapport p(H2O)/p(H2) = fixé. Des analyses par DRX et spectroscopie Raman seront également menées. Les paramètres microstructuraux déduits des caractérisations entreprises par des partenaires du projet et les réponses électrochimiques seront simulés à l’aide de jumeaux numériques. La comparaison entre les résultats expérimentaux et les simulations permettra de déduire les paramètres prépondérants sur les performances et la durabilité de cellules complètes.
Compétences
La personne recrutée doit maîtriser la mise en œuvre de méthodes électrochimiques stationnaire et dynamique sur des cellules à oxyde solide fonctionnant à haute température et l’interprétation des résultats expérimentaux obtenus. Elle doit également disposer de compétences sur les processus de d’élaboration d’oxydes céramiques de microstructure contrôlée. Elle doit être capable de mener des caractérisations structurales et microstructurales sur ce type de matériaux : diffraction des rayons X, microscopie électronique, spectroscopies IR et Raman. De bonnes compétences en catalyse hétérogène seront appréciées. Elle doit être capable de travailler de façon autonome avec rigueur et de bonnes compétences en communications orale et écrite sont attendues.
Contexte de travail

Le laboratoire LEPMI (Laboratoire d’Electrochimie et Physicochimie des Matériaux et des interfaces) est une unité mixte de recherche du CNRS (UMR n°5279), de Grenoble INP - UGA, de l’UGA et de l'université Savoie Mont Blanc qui regroupe 45 personnes permanentes. Les activités de recherche du LEPMI sont orientées vers le développement des générateurs électrochimiques (batteries, piles à combustible, cellules photovoltaïques), la production d’hydrogène (électrolyse), les procédés de recyclage des matériaux stratégiques et la corrosion. La personne recrutée effectuera la mission proposée au sein de l’équipe MIEL (Matériaux Interfaces Electrochimie) dont les activités concernent principalement le stockage et la conversion électrochimique de l’énergie à la fois sur des systèmes à basse (batterie, PEMFC) et haute (SOFC, SOEC) température. L’utilisation de méthodes électrochimiques et de descripteurs communs concernent autant les électrolytes, les électrodes que leurs interfaces. Les activités expérimentales de l’équipe s’appuient sur un parc propre et sur les plateformes du LEPMI comme la plateforme Raman et la plateforme M2E.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Le laboratoire LEPMI (Laboratoire d’Electrochimie et Physicochimie des Matériaux et des interfaces) est une unité mixte de recherche du CNRS (UMR n°5279), de Grenoble INP - UGA, de l’UGA et de l'université Savoie Mont Blanc qui regroupe 45 personnes permanentes. Les activités de recherche du LEPMI sont orientées vers le développement des générateurs électrochimiques (batteries, piles à combustible, cellules photovoltaïques), la production d’hydrogène (électrolyse), les procédés de recyclage des matériaux stratégiques et la corrosion. La personne recrutée effectuera la mission proposée au sein de l’équipe MIEL (Matériaux Interfaces Electrochimie) dont les activités concernent principalement le stockage et la conversion électrochimique de l’énergie à la fois sur des systèmes à basse (batterie, PEMFC) et haute (SOFC, SOEC) température. L’utilisation de méthodes électrochimiques et de descripteurs communs concernent autant les électrolytes, les électrodes que leurs interfaces. Les activités expérimentales de l’équipe s’appuient sur un parc propre et sur les plateformes du LEPMI comme la plateforme Raman et la plateforme M2E.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques

Les contraintes sont liées aux contraintes d’hygiène et sécurité pour un travail en laboratoire de chimie. Les risques sont liés essentiellement aux manipulations de produits chimiques et de gaz.

Les contraintes sont liées aux contraintes d’hygiène et sécurité pour un travail en laboratoire de chimie. Les risques sont liés essentiellement aux manipulations de produits chimiques et de gaz.