Étude computationnelle de l'électro-oxydation de la biomasse sur des anodes d'oxydes de nickel

Résumé de la thèse

Face aux problèmes environnementaux pressants tels que la pollution et l'effet de serre, ainsi qu'à une demande mondiale en énergie en constante augmentation, il est nécessaire de développer des sources d'énergie propre. Cela a conduit à l'exploration d'alternatives aux énergies dérivées des combustibles fossiles, telles que l'énergie issue de la biomasse et la production d'hydrogène vert en tant que vecteur énergétique. Ces sources d’énergie alternatives apparaissent comme une approche prometteuse pour fournir une énergie plus propre, réduire la dépendance aux combustibles fossiles et atténuer l’impact environnemental. Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la valorisation électrochimique de la biomasse, une approche prometteuse pour la production durable de molécules à haute valeur ajoutée à partir de ressources renouvelables. Parmi les électrocatalyseurs les plus performants pour ces transformations, les oxyhydroxydes de nickel (NiOOH) se distinguent par leur forte activité, bien que les mécanismes réactionnels mis en jeu à l'échelle atomique demeurent encore méconnus.

Afin d’apporter une compréhension fondamentale de ces mécanismes, ce travail repose sur des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) afin d'étudier les mécanismes d'oxydation électrochimique du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) à la surface de NiOOH. Des modèles ont été développés pour décrire explicitement l'interface électrode–électrolyte ainsi que l'effet du potentiel électrochimique sur la réactivité du système.

L'analyse des modes d'adsorption, et de profils énergétiques a permis d'identifier les voies réactionnelles les plus favorables ainsi que les étapes cinétiquement limitantes. Les résultats obtenus apportent une compréhension atomistique des interactions entre le catalyseur et les substrats.

Computational study of the electro-oxidation of biomass on nickel oxides anodes

Faced with pressing environmental challenges such as pollution and the greenhouse effect, together with a continuously growing global energy demand, the development of clean energy sources has become essential. This has led to the exploration of alternatives to fossil fuel-derived energy, such as biomass-based energy and the production of green hydrogen as an energy carrier. These alternative energy sources represent a promising approach to provide cleaner energy, reduce dependence on fossil fuels, and mitigate environmental impacts.
This thesis is carried out in the context of the electrochemical valorization of biomass, a promising approach for the sustainable production of high-value-added molecules from renewable resources. Among the most efficient electrocatalysts for these transformations, nickel oxyhydroxides (NiOOH) stand out due to their high activity, although the reaction mechanisms involved at the atomic scale remain poorly understood.

To provide a fundamental understanding of these mechanisms, this work relies on density functional theory (DFT) calculations to investigate the electrochemical oxidation mechanisms of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) on NiOOH surfaces. Computational models were developed to explicitly describe the electrode–electrolyte interface as well as the effect of the electrochemical potential on the reactivity of the system.

The analysis of adsorption modes and energy profiles enabled the identification of the most favorable reaction pathways as well as the kinetically limiting steps. The results obtained provide an atomistic understanding of the interactions between the catalyst and the reactants.