Published December 17, 2021 | Version v1
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Alkaline water electrolysis enhanced by radio frequency alternating magnetic field

Description

This PhD aimed at studying the influence of a radio frequency alternating magnetic field (AMF) on the water splitting reaction in alkaline media (KOH, 1 mol/L). The objective of this approach was to heat the catalyst at a very local scale to enhance water electrolysis, without heating the electrolyte and the other cell component, especially to limit their degradation and provide the energy exactly where it is needed: on the catalyst active sites. The heat stems from (a priori) hysteresis losses of ferromagnetic nanoparticles submitted to an AMF. In such respect, the work consisted in a first place of finding non-PGM materials (especially FeNi and Ni-based) which are fast water splitting catalysts, as well as magnetically sensitive materials. Thus, several electrochemical tests (cyclic voltammetry, durability tests, Identical Location TEM) were conducted, as well as magnetic characterization (VSM, SAR), without an AMF application in first instance, then with it. The magnetic field proved to influence both the charge-transfer kinetics and the mass transport kinetics (cyclic voltammetry, chronopotentiometry, Tafel, open-circuit voltage analysis), and that the heating came also from eddy current generation in the electrode support (non-graphitized carbon felt). No influence on the thermodynamics was concluded. In parallel, a bibliographic survey permitted to account for the various effects which can occur in an electrochemical system submitted to a magnetic field. Thus, Lorentz, Kelvin, spin polarization, as well as Soret, Marangoni and Maxwell stress effects were evaluated in the system. No influence of a Lorentz or spin polarization effects was observed, but the others are likely to intervene. Then, post mortem analyses (ILSEM, XRD, ETEM) allowed to study the influence of the temperature and of a reductive/oxidant atmosphere on the best catalyst (FeNi3[at]Ni). Finally, preliminary experiments were conducted to take benefit from the eddy current as main heating source. The efficiency of the system is also discussed. (author)

Abstract (French)

Cette these a porte sur l'influence d'un champ magnetique alternatif radio frequence (AMF) sur l'electrolyse de l'eau en milieu alcalin (KOH 1 mol/L). L'objectif de cette approche etait de chauffer le catalyseur a une echelle tres locale pour ameliorer la reaction d'electrolyse, sans chauffer l'electrolyte ni les autres composants de la cellule. Ainsi, l'energie est apportee exactement la ou elle est necessaire: au niveau des sites actifs du catalyseur, sans chauffer le reste de la cellule, ce qui limite notamment la degradation des composants et les pertes thermiques dans le reste de la cellule. La chaleur provient (a priori) de pertes hysteresis de materiaux ferromagnetiques soumis a un champ magnetique alternatif. Le travail de cette these a donc consiste dans un premier temps a trouver des catalyseurs non-nobles (notamment a base de Ni et/ou Fe), a la fois actifs pour les reactions d'electrolyse de l'eau, et sensibles a l'application d'un AMF. Des tests electrochimiques (voltammetrie cyclique, durabilite, MET a localisation identique) ont ete menes, ainsi que des caracterisations magnetiques (VSM, SAR), d'abord sans champ magnetique, puis sous l'influence d'un AMF. Les resultats indiquent que le champ magnetique ameliore a la fois le transfert d'electron ainsi que le transport de matiere (voltammetrie cyclique, chronopotentiometrie, analyse de Tafel, mesure de potentiel d'abandon). De plus, il s'est avere que le chauffage provient egalement de la generation de courant de Foucault a travers le support de l'electrode (feutre de carbone non graphitise). Aucune influence sur la thermodynamique n'a ete relevee. En parallele, une etude bibliographique sur les effets survenant lors de l'application d'un champ magnetique sur un systeme electrochimique a permis d'evaluer ces effets dans le systeme etudie. Ainsi, les effets de Lorenz, de polarisation de spin, de Kelvin, mais aussi de Soret, Marangoni et Maxwell ont ete evalues. Ces quatre derniers semblent intervenir dans le systeme, ce qui n'est pas le cas de Lorentz et de la polarisation du spin des electrons. Ensuite, des analyses post mortem ont ete menees (MEB a localisation identique, DRX, MET Environnemental) pour etudier l'influence de la temperature et d'une atmosphere reductrice/oxydante sur le meilleur catalyseur (FeNi_3[at]Ni). Enfin, des etudes preliminaires portant sur l'utilisation des courants de Foucault comme source premiere de chaleur ont ete realisees. L'efficacite du systeme est egalement discutee. (auteur)

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Original title (English)
Electrolyse de l'eau en milieu alcalin assistee par champ magnetique alternatif radio frequence

Publishing Information

Imprint Pagination
337 p.
Report number
FRNC-TH--16199

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Notes
309 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses