Membranes composites Nafion® – Oxyde de Graphène pour la production d’hydrogène vert par électrolyse

Ceballos Alvarez, Juan Carlos (2025). Membranes composites Nafion® – Oxyde de Graphène pour la production d’hydrogène vert par électrolyse. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’élan mondial en faveur de l’hydrogène comme moyen de décarboner les systèmes énergétiques a pris une ampleur considérable, plusieurs pays lançant leurs stratégies nationales sur l’hydrogène. L’électrolyse de l’eau à membrane échangeuse de protons (PEMWE) s’est révélée être une méthode prometteuse pour la production d’hydrogène en raison de son efficacité, de ses taux de production élevés, de son design compact, de sa sécurité et de son fonctionnement dynamique.

Les membranes Nafion® 115, largement utilisées dans les PEMWE, sont appréciées pour leur stabilité mécanique et thermique, leur haute conductivité protonique et leur comportement de gonflement favorable. Cependant, leur durabilité est souvent compromise par la dégradation chimique et les défaillances mécaniques dues aux cycles d’hydratation et de température. L’oxyde de graphène (GO) est particulièrement avantageux pour renforcer les membranes Nafion® en raison de sa stabilité chimique, de sa grande surface spécifique, de sa résistance mécanique et de sa capacité à former des colloïdes aqueux stables. Cette étude examine l’influence du GO sur les propriétés morphologiques, thermiques et mécaniques des membranes Nafion® 115. Le GO a été appliqué par pulvérisation ultrasonique, suivi de divers traitements de recuit. La caractérisation a révélé une excellente dispersion des flocons de GO, améliorant considérablement la capacité de mouillage du matériau et la stabilité mécanique sous tension. Des niveaux de déformation et des charges de traction accrus ont été observés, en particulier à des températures de recuit plus élevées. L’analyse thermogravimétrique a montré une stabilité thermique accrue des membranes contenant du GO.

L’incorporation de GO a augmenté la rugosité de surface, améliorant ainsi la surface spécifique. Le dépôt de la couche composite du côté cathodique a amélioré les propriétés thermo-mécaniques de la membrane sans impact sur ses performances électrochimiques, malgré une augmentation de 15% de l’épaisseur de la membrane. Le dépôt du côté anodique, ainsi que sur les côtés anodique et cathodique, a également amélioré les performances thermo-mécaniques. Cependant, cela s’est accompagné d’un compromis, entraînant une diminution des performances électrochimiques de la cellule de 9% et 15%, respectivement.

En fin de compte, cette thèse présente l’étude, la conception et la caractérisation des membranes Nafion® améliorées par le GO, contribuant à l’avancement de la technologie PEMWE en améliorant la durabilité et les performances des membranes. Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles applications et à des avancées supplémentaires dans les technologies de production d’hydrogène.

Titre traduit

Composite membranes Nafion® - Graphene Oxide for green hydrogen production by electrolysis

Résumé traduit

The global push for hydrogen as a means to decarbonize energy systems has gained considerable momentum, with several countries launching national hydrogen strategies. Proton Exchange Membrane Water Electrolysis (PEMWE) has emerged as a promising method for hydrogen production due to its efficiency, high production rates, compact design, safety, and dynamic operation.

Nafion® 115 membranes, widely used in PEMWE, are valued for their mechanical and thermal stability, high proton conductivity, and favorable swelling behavior. However, their durability is often compromised by chemical degradation and mechanical failure due to hydration and temperature cycles. To address these issues, composite fabrication with carbon-based nanomaterials like graphene oxide (GO) has been explored. GO is particularly advantageous for reinforcing Nafion® membranes due to its electrical insulating properties, chemical stability, high specific surface area, mechanical strength, and ability to form stable aqueous colloids.

This study investigates the influence of GO on the morphological, thermal and mechanical properties of Nafion® 115 membranes. GO was applied via ultrasonic spraying, followed by various annealing treatments. Characterization revealed excellent dispersion of GO flakes, significantly improving wettability and mechanical stability under tension. Enhanced strain levels and tensile loads were observed, particularly at higher annealing temperatures. Thermogravimetric analysis showed increased thermal stability in GO-containing membranes.

GO incorporation increased surface roughness, thereby enhancing surface area. Deposition of the composite layer on the cathode side improved the membrane’s thermo-mechanical properties without impact on its electrochemical performance, despite a 15% increase in membrane thickness. Deposition on the anode side, as well as on both the anode and cathode sides, also improved thermo-mechanical performance. However, this was accompanied by a trade-off, resulting in a decrease in cell electrochemical performance by 9% and 15%, respectively.

Ultimately, this thesis presents the study, design, and characterization of GO-enhanced Nafion® membranes, contributing to the advancement of PEMWE technology by improving membrane durability and performance. These findings pave the way for new applications and further advancements in hydrogen production technologies.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 145-157).
Mots-clés libres:	oxyde de graphène, électrolyse de l’eau à membrane échangeuse de protons (PEMWE), membranes Nafion® 115, production d’hydrogène
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Izquierdo, Ricardo
Codirecteur:	Codirecteur Shahgaldi, Samaneh
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 sept. 2025 18:40
Dernière modification:	23 sept. 2025 18:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3702

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