Jury :

Résumé :

Cette étude aborde les principaux défis mondiaux tels que les émissions de CO2, la crise énergétique et la mauvaise gestion des déchets plastiques PET, qui non seulement polluent l’environnement mais contribuent également aux émissions de CO2 lors de l’incinération. L’approche innovante présentée dans cette thèse offre une double solution, abordant simultanément les déchets PET et les émissions de CO2. Deux systèmes remarquables ont été explorés dans cette thèse. Le premier utilisait du carbonate d’oxyde de bismuth (BOC) fonctionnalisé de l’oxyde de graphène réduit (rGO) pour l’électroréduction cathodique du CO2 (CO2RR), tandis que CuCoO sur rGO était utilisé pour l’oxydation anodique de l’hydrolysat de PET. De manière impressionnante, le catalyseur anodique CuCoO@rGO a affiché une électroactivité exceptionnelle, atteignant un rendement faradique (FE) exceptionnel de 85,7 % à 1,5 V par rapport à RHE. Simultanément, le catalyseur cathodique BOC@rGO a démontré un FE impressionnant de 97,4 % à -0,8 V par rapport au RHE, facilitant la production de formiate à partir de CO2RR. Lorsqu’elle est intégrée dans une configuration d’électrolyseur, cette approche a abouti à une production d’acide formique à une faible tension de cellule de 1,9 V et à un FE formiate remarquable de 151,8 % à 10 mA cm-2. Un autre système utilisait une électrode 3D en feutre de charbon actif (aCF) comme substrat et du bismuth a été déposé électrochimiquement sur le CF (Bi@aCF) qui agit comme la cathode CO2RR et un feutre de carbone déposé au phosphate de nickel-cobalt (NiCoPOx@CF) pour l’anode. Procédé d’oxydation de l’hydrolysat de PET. Cette configuration a atteint un FE élevé de 94 % pendant CO2RR à -0,8 V par rapport au RHE, produisant du formiate, et un FE de 95 % pour l’oxydation anodique de l’hydrolysat de PET pour former un formiate à un faible potentiel de 1,5 6 V par rapport au RHE. Remarquablement, l’électrolyseur à deux électrodes a atteint un FE extraordinaire de 157 % pour produire du formiate à une tension de cellule de 1,8 V. Cette percée représente une nouvelle voie pour valoriser les déchets de PET, réduire les émissions de CO2 et promouvoir la durabilité environnementale. De plus, nos expériences ont également porté sur l’électrolyse de l’eau, où une nouvelle stratégie impliquant du Ru intégré dans une matrice de nitrure de carbone a été proposée. Cette approche, utilisant une structure organique covalente 2D CIN-1 avec Ru + 2 coordonné, a abouti à des nanoparticules d’oxyde de Ru avec des sites Ru de faible valence disposés en nanofils entre des couches de nitrure de carbone graphitique après pyrolyse. Ce matériau présentait des surpotentiels significativement inférieurs pour la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) et la réaction de dégagement d’oxygène (OER) par rapport aux catalyseurs de référence au Pt et au RuO2, démontrant une stabilité catalytique remarquable. Cette découverte est extrêmement prometteuse pour faire progresser le domaine du fractionnement de l’eau et contribuer au développement de solutions énergétiques durables.

Abstract :

This study addresses major global challenges such as CO2 emissions, the energy crisis and the poor management of PET plastic waste, which not only pollutes the environment but also contributes to CO2 emissions during incineration. The innovative approach presented in this thesis offers a dual solution, addressing PET waste and CO2 emissions simultaneously. Two remarkable systems were explored in this thesis. The first used bismuth oxide carbonate (BOC) functionalised with reduced graphene oxide (rGO) for the cathodic electroreduction of CO2 (CO2RR), while CuCoO on rGO was used for the anodic oxidation of PET hydrolysate. Impressively, the anodic CuCoO@rGO catalyst exhibited exceptional electroactivity, achieving an outstanding faradic efficiency (FE) of 85.7% at 1.5 V compared with RHE. At the same time, the BOC@rGO cathode catalyst demonstrated an impressive FE of 97.4% at -0.8 V compared with RHE, facilitating the production of formate from CO2RR. When integrated into an electrolyser configuration, this approach resulted in formic acid production at a low cell voltage of 1.9 V and a remarkable formate EF of 151.8% at 10 mA cm-2. Another system used an activated carbon felt (aCF) 3D electrode as the substrate and bismuth was electrochemically deposited on the CF (Bi@aCF) which acts as the CO2RR cathode and a nickel-cobalt phosphate deposited carbon felt (NiCoPOx@CF) for the anode. PET hydrolysate oxidation process. This configuration achieved a high EF of 94% during CO2RR at -0.8 V compared to RHE, producing formate, and an EF of 95% for anodic oxidation of PET hydrolysate to form formate at a low potential of 1.5 6 V compared to RHE. Remarkably, the two-electrode electrolyser achieved an extraordinary EF of 157% to produce formate at a cell voltage of 1.8 V. This breakthrough represents a new way of recovering PET waste, reducing CO2 emissions and promoting environmental sustainability. In addition, our experiments have also focused on water electrolysis, where a new strategy involving Ru embedded in a carbon nitride matrix has been proposed. This approach, using a CIN-1 2D covalent organic structure with Ru + 2 coordinates, resulted in Ru oxide nanoparticles with low-valence Ru sites arranged as nanowires between graphitic carbon nitride layers after pyrolysis. This material exhibited significantly lower overpotentials for the hydrogen evolution reaction (HER) and the oxygen evolution reaction (OER) compared with reference Pt and RuO2 catalysts, demonstrating remarkable catalytic stability. This discovery is extremely promising for advancing the field of water fractionation and contributing to the development of sustainable energy solutions.