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WO2023079234A1 - Method for producing hydrogen by electrochemically reforming an alcohol catalyzed by radioactive platinoids - Google Patents

Method for producing hydrogen by electrochemically reforming an alcohol catalyzed by radioactive platinoids Download PDF

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Publication number
WO2023079234A1
WO2023079234A1 PCT/FR2022/052057 FR2022052057W WO2023079234A1 WO 2023079234 A1 WO2023079234 A1 WO 2023079234A1 FR 2022052057 W FR2022052057 W FR 2022052057W WO 2023079234 A1 WO2023079234 A1 WO 2023079234A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radioactive
alcohol
deposit
platinoids
solution
Prior art date
Application number
PCT/FR2022/052057
Other languages
French (fr)
Inventor
Charles BRUSSIEUX
Christophe COUTANCEAU
Isabelle HABLOT
Delphine LEHUBY
Original Assignee
Orano
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Orano filed Critical Orano
Publication of WO2023079234A1 publication Critical patent/WO2023079234A1/en

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    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/34Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation

Definitions

  • the present invention relates to the field of hydrogen production.
  • it relates to a process for the production of hydrogen by electrochemical reforming - also called electrolysis - of an alcohol in which one or more radioactive platinoids, resulting from an acidic aqueous solution of fission products of a nuclear fuel used, are used as catalysts for the electrooxidation reaction of these alcohols.
  • Hydrogen production processes that limit or even eliminate greenhouse gas emissions and, in particular, CO2 emissions are therefore being studied to complete its production by steam reforming, or even gradually replace it.
  • a process which is the subject of all the attention is the electrolysis of water which consists in decomposing, in an electrolysis cell, water into oxygen and hydrogen gas under the effect of an electric current.
  • the reversible voltage linked to the electrochemical decomposition of alcohols is typically less than 0.1 V at 25° C., which allows a significant reduction in the consumption of energy necessary for the production of hydrogen.
  • radioactive platinoids originating from an aqueous solution of fission products from spent nuclear fuel have, at identical electrolysis potential, an ability to catalyze the electro-oxidation reaction of an alcohol which is much higher than that exhibited by non-radioactive platinoids.
  • the subject of the invention is therefore a method for producing hydrogen by electrochemical reforming of an alcohol, which comprises electrolysis of the alcohol in an electrolysis cell comprising an anode, an electrolyte and a cathode, and which is characterized in that at least part of the external surface of the anode comprises one or more radioactive platinoids chosen from palladium, ruthenium and rhodium, this or these radioactive platinoids being derived from an acidic aqueous solution containing products of fission of spent nuclear fuel.
  • the acidic aqueous solution containing fission products from a spent nuclear fuel can be any acidic aqueous solution produced during the processing of a spent nuclear fuel provided that it contains fission products, denoted below PF, including platinoids which are maintained in the form of ions in the presence of oxidizing compounds such as nitric acid or perchloric acid and/or complexing ions such as chlorides or fluorides.
  • the acidic aqueous solution containing FPs be a solution resulting from an acid attack of fines from the dissolution of a spent nuclear fuel. More specifically, it is preferred that it be a solution resulting from an attack by nitric acid or a mixture of acids comprising nitric acid, such as a mixture of nitric and hydrofluoric acids , dissolving fines from a PUREX process (from Plutonium Uranium Refining by Extraction).
  • the qualitative composition of the acidic aqueous solutions produced during the treatment of spent nuclear fuel and, in particular, that of the solutions resulting from an acid attack of fines from the dissolution of spent nuclear fuel varies according to the type of nuclear fuel, the type of nuclear reactor in which the fuel was irradiated, the irradiation conditions to which the fuel was subjected and, in particular, the burnup rate, as well as the time during which the spent fuel was cooled after leaving the reactor nuclear.
  • aqueous solutions include a number of FPs in significant amounts including palladium (Pd), ruthenium (Ru) and rhodium (Rh) for cooling times of less than about 30 years and palladium (Pd) and rhodium (Rh) for longer cooling times.
  • Pd palladium
  • Ru ruthenium
  • Rh rhodium
  • the anode of the electrolysis cell must have at least a part of its external surface which comprises palladium, ruthenium and/or radioactive rhodium from an acidic aqueous solution of fission products from spent nuclear fuel.
  • a solid anode that is to say an anode which is made of one of these radioactive platinoids or of an alloy of these, for example, a Pd/Ru, Pd/Rh or Pd alloy /Ru/Rh,
  • anode which comprises a support, or substrate, electrically conductive of which all or part of the outer surface comprises a deposit of one or more of said radioactive platinoids.
  • a reducing agent such as hydrazine (as described, for example, by J. F. Rivadulla et al in J. Phys. Chem. B 1997, 101, 8997-9004, hereinafter reference [7]), a hypophosphite (as described, for example, by M. I. C. F. Costa et al. in ISRN Organic Chemistry 2011 , article ID 759817, 1-7, hereinafter reference [8]) or a borohydride (as described, for example, by S. Lankiang et al. in Electrochemica Acta 2015, 182, 131-142, hereinafter reference [ 9]).
  • a reducing agent such as hydrazine (as described, for example, by J. F. Rivadulla et al in J. Phys. Chem. B 1997, 101, 8997-9004, hereinafter reference [7])
  • a hypophosphite as described, for example, by M. I.
  • the deposition of the radioactive PGM(s) on the electrically conductive support is carried out by electrodeposition because this deposition technique is easier to implement than an electroless chemical deposition in the case of radioactive materials and avoids, moreover, having to use chemical reagents such as reducing agents and complexing agents.
  • the electrically conductive support can be made of any material provided that it has high electronic conductivity, electrochemical stability and, in particular, resistance to oxidation, as well as chemical stability, in especially in acidic and basic environments.
  • it may in particular be:
  • Ti O2 titanium dioxide
  • Ti N titanium nitride
  • TiCN titanium carbonitride
  • the acidic aqueous solutions produced during the processing of spent nuclear fuel include palladium, ruthenium and rhodium.
  • a deposit made by electrodeposition or chemical reduction from such a solution typically comprises a mixture of palladium, ruthenium and rhodium.
  • this deposit mainly comprises palladium, that is to say that the palladium represents more than 50% by mass, preferably at least 70% by mass and, even better, at least 80% by mass of the mass of the deposit.
  • the operating conditions under which the electrodeposition or the chemical reduction of the platinoid(s) will be carried out will therefore be chosen accordingly, which falls within the normal skills of a person skilled in the art given the abundant literature relating to the techniques of deposition of platinoids and, in particular, palladium on supports.
  • the mass content of the palladium in the deposit it can easily be checked by dissolving this deposit by immersing the support comprising it in a highly concentrated solution of a strong acid, for example nitric acid, or of a mixture of acids. strong and by subjecting the solution resulting from this dissolution to a quantitative and qualitative analysis, for example by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES).
  • ICP-AES inductively coupled plasma atomic emission spectrometry
  • the electrolytic reduction of platinoid ions competes with the autocatalytic reduction of nitrate ions (NO3) into nitrite ions (NO2) and this competition is all the more intense to the detriment of the PGM reduction reaction when the nitric acid and nitrous acid contents are so high as to make impossible, beyond a certain stage, the deposition of PGMs by electrodeposition on certain types supports such as carbon supports.
  • the electrodeposition of the radioactive platinoid(s) may be made, of a non-radioactive metallic element chosen from among palladium, tantalum, niobium, stainless steel, chromium, titanium, zirconium or any other material stable electroconductor in the electrodeposition medium and on which the reduction of nitrate ions is slow, before proceeding with the deposition of the radioactive platinoid(s).
  • the electrolysis cell is advantageously an electrolysis cell with two compartments separated, preferably by a cation exchange membrane and, even better, an electrolysis cell with a proton exchange membrane, or PEMEC of Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell.
  • a PEMEC cell typically comprises: - a central component, called Assembly-Membrane-Electrodes (AME), itself comprising:
  • gas-tight polymer membrane which is typically a perfluorinated sulfonic membrane and which acts as a proton-conducting electrolyte, electronic separator and gas separator,
  • electrolytic cells such as, for example, an anion exchange membrane electrolysis cell, or AEMEC from Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell, an alkaline electrolysis cell , or AEC from Alkaline Electrolysis Cell, a cell with a porous compartment separation membrane or a cell without compartment separation.
  • the polymer membrane may in particular be one of the perfluorinated sulfonic membranes which are marketed under the trade references NafionTM and AquivionTM, while the cathode may in particular be based on platinum nanoparticles placed on a carbon support.
  • the electrolysis of alcohol can be carried out in an acid medium or in an alkaline medium (cf. reference [1]).
  • an alkaline medium for example an aqueous solution comprising 1 mol/L of sodium hydroxide in ultrapure water, because the oxidation kinetics of alcohols is faster in an alkaline medium than in an acid medium.
  • the alcohol subjected to electrolysis is preferably a straight-chain saturated aliphatic alcohol, which may be a monoalcohol such as methanol, ethanol, propanol or n-butanol, or or a polyalcohol, or polyol, such as ethylene glycol, propylene glycol, glycerol, sorbitol, mannitol and xylitol.
  • a straight-chain saturated aliphatic alcohol which may be a monoalcohol such as methanol, ethanol, propanol or n-butanol, or or a polyalcohol, or polyol, such as ethylene glycol, propylene glycol, glycerol, sorbitol, mannitol and xylitol.
  • the alcohol is a bio-sourced alcohol, that is to say from oleaginous biomass or lignocellulosic biomass, such as ethanol, glycerol, sorbitol, mannitol and xylitol.
  • the alcohol is ethanol or bio-based glycerol.
  • the invention has the following advantages:
  • the acidic aqueous solution of fission products is a solution resulting from an acid attack of fines from the dissolution of a spent nuclear fuel or a raffinate from a process for treating a spent fuel , recovery of a source of PGMs which today constitutes high-level waste and, thereby, to reduce the mass of waste destined for disposal in deep layers.
  • Figure 1 and Figure 2 show the results of tests aimed at evaluating, by linear voltammetry in a 1 mol/L sodium hydroxide solution containing 0.1 mol/L of ethanol, the electrolytic activity in the electro-oxidation reaction of ethanol to ethanal deposition of radioactive PGMs obtained from an aqueous solution of acid attack of fines from dissolution of spent nuclear fuel (curves
  • the abscissa axis corresponds to the polarization, denoted E and expressed in V versus Hg/HgO, while the ordinate axis corresponds to the current density, denoted J and expressed in mA/cm 2 .
  • FIG. 3 represents the results of tests aimed at evaluating, by cyclic voltammetry, in a 1 mol/L sodium hydroxide solution, the active surface of deposits of radioactive PGMs obtained from an aqueous etching solution acid of fines from the dissolution of a spent nuclear fuel (curves 1) and to compare it with that of other types of deposits made using an inactive solution simulating the solution of radioactive platinoids under the same conditions (curves 2); in this figure, the abscissa axis corresponds to the polarization, denoted E and expressed in V versus Hg/HgO, while the ordinate axis corresponds to the current density, denoted J and expressed in mA/cm 2
  • Dissolution fines from the processing of nuclear fuels at La Hague are subjected to an acid attack treatment for 24 hours which is carried out by means of an aqueous solution comprising 7 mol/L of nitric acid and 11 mol/L of L of hydrofluoric acid, in an autoclave heated to 170°C.
  • nitric acid at 0.5 mol/L is added to the aqueous solution resulting from the acid attack.
  • the minimum nitric acid and hydrofluoric acid contents of this solution are then 5.7 mol/L and 8.8 mol/L respectively.
  • the aqueous solution thus obtained contains, in addition to uranium, non-platinoid fission products (Fe, Ni, Cr, Mo, Te, Zr, etc.) and fission products from the family of platinoids, namely palladium 0.34 g/L), ruthenium 1.8 g/L) and rhodium (0.27 g/L).
  • the simulated solution is prepared by dissolution in the microwave at 180° C. and for 1 hour of a mixture of reagents comprising iron, nickel and chromium (in the form of 304 L stainless steel flakes), molybdenum (in the form of MoOs), rhenium (in the form of F ⁇ O?) to simulate technetium, zirconium (in the form of ZrÜ2), palladium (in the form of Pd(NOs)2, H2O) , ruthenium (in the form of RU(NO)(NO3)S), and rhodium (in the form of Rh(H2O)(OH)3- y (NO3) y ) in a medium composed of nitric acid 5 .7 M and 8.8 M hydrofluoric acid.
  • a mixture of reagents comprising iron, nickel and chromium (in the form of 304 L stainless steel flakes), molybdenum (in the form of MoOs), rhenium (in the form of F
  • the amounts of reagents dissolved in the HNO3/HF medium are chosen so that the mass composition of the simulated solution is identical to that of the aqueous solution prepared in point I above.
  • Electrodeposition of the simulated solution is performed on a series of vitreous carbon (CV) electrodes.
  • the CV electrodes are electrodes marketed by the company BioLogic under the reference A-002417. They are in the form of glassy carbon rods 5 mm in diameter (ie 0.196 cm 2 ) which are embedded in a polyetheretherketone (PEEK) envelope.
  • PEEK polyetheretherketone
  • the deposits of radioactive PGMs are therefore made with the same equipment as that used in point II 1.1 above - with the exception of the working electrode since this already includes a deposit of non-radioactive PGMs - and by applying the same potential as that applied in point II 1.1 above but for 5 minutes.
  • electrocatalytic properties of the different types of deposits in the electro-oxidation reaction of ethanol (CH3CH2OH) to ethanal (CH3CHO) are assessed by linear voltammetry in alkaline medium (1 M NaOH) using an electrolytic cell which includes:
  • Hg/HgO electrode specially designed to be used in a medium comprising 1 mol/L of NaOH and marketed by the company BioLogic under the reference A-013395 as a reference electrode; its potential is 0.14 V versus ENH and -0.1 V versus ECS (saturated calomel electrode).
  • the potentiostat is also a BioLogic VSP-300 potentiostat.
  • the electrolyte solution is a 50 mL solution comprising 1 mol/L NaOH and 0.278 mL 95% ethanol.
  • Figures 1 and 2 illustrate the results obtained for the different types of deposits by applying a bias in the range from -0.55 V versus Hg/HgO and 0.2 V versus Hg/HgO at a scan rate of 20 mV/ s.
  • the curves denoted 1 correspond to the polarization curves obtained for the electrodes comprising a deposit of radioactive platinoids
  • - the curves denoted 2 correspond to the polarization curves obtained for the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution without adding "Te”
  • the curves denoted 3 correspond to the polarization curves obtained for the electrodes comprising a deposit of radioactive PGMs covered with a deposit of non-radioactive PGMs.
  • the curves denoted 4 correspond to the polarization curves obtained for the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution with addition of "Te" and are compared with curves 1 and 2 of Figure 1.
  • the current densities obtained for the electrodes comprising a deposit of radioactive PGMs are three times higher than those obtained with the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs (curves 2).
  • Figure 2 shows that the addition of a radioactive element such as technetium-99 at a level of 0.3 g/L in the simulated solution does not have a significant impact on the activity electrocatalytic non-radioactive PGM deposits obtained from this solution.
  • a radioactive element such as technetium-99
  • the active surface, or real surface, of the different types of deposits is assessed by cyclic voltammetry in an alkaline medium (1 M NaOH) using a similar electrochemical cell and the same potentiostat as those used in point IV above.
  • the active surface of a catalyst deposit is proportional to the integral surface of the polarization curves (surface which is homogeneous with a charge per unit surface) over the range of potentials going from 0 to -0.4 V versus Hg/HgO in the cathode domain.
  • the curves denoted 1 correspond to the voltammograms obtained for the electrodes comprising a deposit of radioactive platinoids
  • the curves denoted 2 correspond to the voltammograms obtained for the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution without addition of "Te", while
  • the curves denoted 3 correspond to the voltammograms obtained for the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution with addition of "Te.
  • the deposits of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution have an active surface which is substantially the same whether or not this solution contains "Te.

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Abstract

The invention relates to a method for producing hydrogen by electrochemically reforming an alcohol. This method comprises electrolyzing alcohol in an electrolytic cell comprising an anode, an electrolyte and a cathode, and is characterized in that at least part of the outer surface of the anode comprises one or more radioactive platinoids selected from among palladium, ruthenium and rhodium, these one or more radioactive platinoids being derived from an acidic aqueous solution containing fission products from a spent nuclear fuel.

Description

PROCÉDÉ DE PRODUCTION D'HYDROGÈNE PAR REFORMAGE ÉLECTROCHIMIQUE D'UN ALCOOL CATALYSÉ PAR DES PLATINOÏDES RADIOACTIFS PROCESS FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN BY ELECTROCHEMICAL REFORMING OF ALCOHOL CATALYZED BY RADIOACTIVE PLATINOIDS
DESCRIPTION DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA
La présente invention relève du domaine la production d'hydrogène. The present invention relates to the field of hydrogen production.
Plus spécifiquement, elle se rapporte à un procédé de production d'hydrogène par reformage électrochimique - aussi appelé électrolyse - d'un alcool dans lequel un ou des platinoïdes radioactifs, issus d'une solution aqueuse acide de produits de fission d'un combustible nucléaire usé, sont utilisés comme catalyseurs de la réaction d'électrooxydation de ces alcools. More specifically, it relates to a process for the production of hydrogen by electrochemical reforming - also called electrolysis - of an alcohol in which one or more radioactive platinoids, resulting from an acidic aqueous solution of fission products of a nuclear fuel used, are used as catalysts for the electrooxidation reaction of these alcohols.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE PRIOR ART
De par sa forte densité énergétique massique et sa capacité à être oxydé en présence d'oxygène sous forme d'eau pure sans dégagement de CO2, l'hydrogène est considéré comme un vecteur d'énergie d'importance pour mener à bien la transition énergétique. Due to its high mass energy density and its ability to be oxidized in the presence of oxygen in the form of pure water without releasing CO2, hydrogen is considered an important energy vector for carrying out the energy transition. .
Si l'hydrogène est susceptible d'être utilisé comme réactif dans les piles à combustible pour produire de l'électricité, sa première destination reste actuellement l'industrie. En effet, 75 millions de tonnes sont consommées annuellement par l'industrie chimique dont près de 45 % pour le raffinage du pétrole. If hydrogen is likely to be used as a reagent in fuel cells to produce electricity, its first destination currently remains industry. In fact, 75 million tonnes are consumed annually by the chemical industry, of which nearly 45% for oil refining.
À ce jour, le vaporeformage d'hydrocarbures, principalement du méthane, est le procédé de production d'hydrogène le plus utilisé pour alimenter l'industrie en hydrogène car il est de loin le plus économique. Le vaporeformage consiste à faire réagir en température et en présence de catalyseurs le méthane avec de l'eau pour produire un mélange d'H2, de CO2, de CO, de CH4 résiduel et d'eau (appelé syngas). En sortie de vaporéacteur, l'hydrogène est séparé et purifié. Cependant, pour chaque tonne d'hydrogène produit par vaporeformage, environ 10 tonnes de CO2 sont émises et généralement relâchées dans l'atmosphère. To date, the steam reforming of hydrocarbons, mainly methane, is the most widely used hydrogen production process to supply the industry with hydrogen because it is by far the most economical. Steam reforming consists of reacting methane with water at temperature and in the presence of catalysts to produce a mixture of H2, CO2, CO, residual CH4 and water (called syngas). At the steam reactor outlet, the hydrogen is separated and purified. However, for every ton of hydrogen produced by steam reforming, approximately 10 tons of CO2 are emitted and generally released into the atmosphere.
Des procédés de production d'hydrogène limitant, voire supprimant, les émissions de gaz à effet de serre et, notamment, de CO2 sont donc à l'étude pour compléter sa production par vaporeformage, voire progressivement s'y substituer. Hydrogen production processes that limit or even eliminate greenhouse gas emissions and, in particular, CO2 emissions are therefore being studied to complete its production by steam reforming, or even gradually replace it.
Un procédé qui est le sujet de toutes les attentions est l'électrolyse de l'eau qui consiste à décomposer, dans une cellule d'électrolyse, l'eau en oxygène et hydrogène gazeux sous l'effet d'un courant électrique. A process which is the subject of all the attention is the electrolysis of water which consists in decomposing, in an electrolysis cell, water into oxygen and hydrogen gas under the effect of an electric current.
Si ce procédé présente l'avantage de produire un hydrogène pur (c'est-à-dire exempt de CO, CO2, etc., contrairement à l'hydrogène produit par vaporeformage), il nécessite d'appliquer aux bornes de la cellule d'électrolyse des tensions nettement supérieures à la tension réversible liée à la réaction H2O = H2 + O2 qui, dans les conditions standard (1 bar), est de 1,23 V à 25°C, ce qui correspond à une consommation d'énergie électrique minimale de 33 kWh par kg d'hydrogène produit. La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau est donc coûteuse. Although this process has the advantage of producing pure hydrogen (i.e. free of CO, CO2, etc., unlike the hydrogen produced by steam reforming), it requires applying to the terminals of the cell electrolysis of voltages significantly higher than the reversible voltage linked to the H2O = H2 + O2 reaction which, under standard conditions (1 bar), is 1.23 V at 25°C, which corresponds to energy consumption electricity of 33 kWh per kg of hydrogen produced. The production of hydrogen by electrolysis of water is therefore expensive.
Pour réduire significativement cette consommation d'énergie et, partant, les coûts de production de l'hydrogène, il a été proposé de produire ce dernier par électrolyse de composés organiques oxygénés et, notamment, d'alcools issus de la biomasse oléagineuse (tels que le glycérol produit par la réaction de transestérification par le méthanol des triglycérides qui est mise en œuvre pour la production des biocarburants de première génération) ou de la biomasse lignocellulosique (tels que l'éthanol produit lors de la fermentation des sucres présents dans les déchets des industries des biocarburants de seconde génération). To significantly reduce this energy consumption and, consequently, the production costs of hydrogen, it has been proposed to produce the latter by electrolysis of oxygenated organic compounds and, in particular, of alcohols derived from oleaginous biomass (such as glycerol produced by the reaction of transesterification with methanol of triglycerides which is implemented for the production of first-generation biofuels) or lignocellulosic biomass (such as the ethanol produced during the fermentation of the sugars present in the waste of second-generation biofuel industries).
En effet, la tension réversible liée à la décomposition électrochimique des alcools est typiquement inférieure à 0,1 V à 25°C, ce qui permet une réduction significative de la consommation d'énergie nécessaire à la production d'hydrogène. Indeed, the reversible voltage linked to the electrochemical decomposition of alcohols is typically less than 0.1 V at 25° C., which allows a significant reduction in the consumption of energy necessary for the production of hydrogen.
De plus, l'électrolyse de composés organiques oxygénés peut conduire à la production de co-produits dont la valeur ajoutée est supérieure à celle de l'oxygène qui est le seul co-produit issu de l'électrolyse de l'eau. Pour une description détaillée des principes qui sont à la base de la production d'hydrogène par électrolyse de composés organiques oxygénés ainsi que des travaux les plus significatifs ayant été réalisés à ce jour sur ce sujet, le lecteur est invité à se référer à l'ouvrage Production of Clean Hydrogen by Electrochemical Reforming of Oxygenated Organic Compounds de C. Lamy, C. Coutanceau et S. Baranton, édité en 2020 par B. G. Pol let (Elsevier, Amsterdam), ci-après référence [1]. In addition, the electrolysis of oxygenated organic compounds can lead to the production of co-products whose added value is greater than that of oxygen, which is the only co-product resulting from the electrolysis of water. For a detailed description of the principles which are at the basis of the production of hydrogen by electrolysis of oxygenated organic compounds as well as of the most significant works having been carried out to date on this subject, the reader is invited to refer to book Production of Clean Hydrogen by Electrochemical Reforming of Oxygenated Organic Compounds by C. Lamy, C. Coutanceau and S. Baranton, published in 2020 by BG Pollet (Elsevier, Amsterdam), hereinafter reference [1].
Comme indiqué dans cette référence, si la faisabilité de la production d'hydrogène par électrolyse a largement été démontrée pour plusieurs composés organiques oxygénés (acide formique, méthanol, éthanol, glycérol, etc.), notamment dans une cellule d'électrolyse à membrane échangeuse de protons, il s'avère que la cinétique d'électrooxydation de ces composés est relativement lente, ce qui conduit à des surtensions anodiques élevées et, donc, à des tensions de cellule élevées à la densité de courant qui est requise pour obtenir un taux de production d'hydrogène élevé. As indicated in this reference, if the feasibility of the production of hydrogen by electrolysis has been largely demonstrated for several oxygenated organic compounds (formic acid, methanol, ethanol, glycerol, etc.), in particular in an electrolysis cell with an exchange membrane of protons, it turns out that the electrooxidation kinetics of these compounds is relatively slow, which leads to high anode overvoltages and, therefore, to high cell voltages at the current density which is required to obtain a rate high hydrogen production.
De ce fait, le développement d'électrolyseurs utilisables industriellement nécessite de pouvoir augmenter cette cinétique d'électro-oxydation, ce qui implique de disposer d'électrocatalyseurs plus actifs que ceux proposés à ce jour, lesquels sont typiquement des électrocatalyseurs bi- ou trimétalliques à base de palladium et/ou de platine (cf. référence [1]). Therefore, the development of industrially usable electrolyzers requires the ability to increase this electro-oxidation kinetics, which implies having more active electrocatalysts than those proposed to date, which are typically bi- or trimetallic electrocatalysts with palladium and/or platinum base (see reference [1]).
Il est connu, par FR-A-1 336 077, ci-après référence [2], que les réactions mises en œuvre dans des piles à combustible et autres générateurs électrochimiques d'énergie peuvent être catalysées par un radioisotope tel que le carbone-14, le nickel-63, le cobalt- 60 ou un isotope du prométhium. It is known, from FR-A-1 336 077, hereinafter reference [2], that the reactions implemented in fuel cells and other electrochemical energy generators can be catalyzed by a radioisotope such as carbon- 14, nickel-63, cobalt-60 or a promethium isotope.
Il est également connu d'extraire par réduction électrochimique les platinoïdes de solutions aqueuses nitriques et, notamment, de solutions simulant des solutions issues du traitement de combustibles nucléaires usés. Des études portant sur ce type d'extraction ont notamment été publiées par K. Koizumi et al. dans J. Nucl. Sci. Technol., 1993, 30(11), 1195-1197, ci-après référence [3], par M. Y. Kirshin et al. dans Radiochemistry 2005, 47(4), 365-369, ci-après référence [4] et par M. Jayakumar et al. dans Desalination and Water Treatment 2009, 12, 34-39, ci-après référence [5]. Toutefois, aucune de ces études n'envisage que les platinoïdes ainsi extraits puissent être utilisés comme électrocatalyseurs. It is also known to extract PGMs from aqueous nitric solutions by electrochemical reduction and, in particular, from solutions simulating solutions resulting from the processing of spent nuclear fuel. Studies relating to this type of extraction have notably been published by K. Koizumi et al. in J. Nucl. Sci. Technol., 1993, 30(11), 1195-1197, hereinafter reference [3], by MY Kirshin et al. in Radiochemistry 2005, 47(4), 365-369, hereinafter reference [4] and by M. Jayakumar et al. in Desalination and Water Treatment 2009, 12, 34-39, hereafter reference [5]. However, none of these studies does not envisage that the PGMs thus extracted can be used as electrocatalysts.
Or, il se trouve que, dans le cadre de leurs travaux, les Inventeurs ont constaté que des platinoïdes radioactifs provenant d'une solution aqueuse de produits de fission d'un combustible nucléaire usé présentent, à potentiel d'électrolyse identique, une aptitude à catalyser la réaction d'électro-oxydation d'un alcool qui est bien plus élevée, que celle que présentent des platinoïdes non radioactifs. However, it so happens that, in the context of their work, the Inventors have observed that radioactive platinoids originating from an aqueous solution of fission products from spent nuclear fuel have, at identical electrolysis potential, an ability to catalyze the electro-oxidation reaction of an alcohol which is much higher than that exhibited by non-radioactive platinoids.
Et c'est sur ces constations expérimentales qu'est basée l'invention. And it is on these experimental findings that the invention is based.
EXPOSÉ DE L'INVENTION DISCLOSURE OF THE INVENTION
L'invention a donc pour objet un procédé de production d'hydrogène par reformage électrochimique d'un alcool, qui comprend une électrolyse de l'alcool dans une cellule d'électrolyse comprenant une anode, un électrolyte et une cathode, et qui est caractérisé en ce qu'au moins une partie de la surface externe de l'anode comprend un ou plusieurs platinoïdes radioactifs choisis parmi le palladium, le ruthénium et le rhodium, ce ou ces platinoïdes radioactifs étant issus d'une solution aqueuse acide contenant des produits de fission d'un combustible nucléaire usé. The subject of the invention is therefore a method for producing hydrogen by electrochemical reforming of an alcohol, which comprises electrolysis of the alcohol in an electrolysis cell comprising an anode, an electrolyte and a cathode, and which is characterized in that at least part of the external surface of the anode comprises one or more radioactive platinoids chosen from palladium, ruthenium and rhodium, this or these radioactive platinoids being derived from an acidic aqueous solution containing products of fission of spent nuclear fuel.
Conformément à l'invention, la solution aqueuse acide contenant des produits de fission d'un combustible nucléaire usé peut être toute solution aqueuse acide produite au cours du traitement d'un combustible nucléaire usé pour autant qu'elle contienne des produits de fission, notés ci-après PF, dont des platinoïdes qui sont maintenus sous formes d'ions en présence de composés oxydants tels que l'acide nitrique ou l'acide perchlorique et/ou d'ions complexants tels que les chlorures ou fluorures. In accordance with the invention, the acidic aqueous solution containing fission products from a spent nuclear fuel can be any acidic aqueous solution produced during the processing of a spent nuclear fuel provided that it contains fission products, denoted below PF, including platinoids which are maintained in the form of ions in the presence of oxidizing compounds such as nitric acid or perchloric acid and/or complexing ions such as chlorides or fluorides.
Ainsi, il peut notamment s'agir : Thus, it may in particular be:
- d'une solution résultant des opérations de dissolution d'un combustible nucléaire usé dans un acide fort tel que l'acide nitrique, et de clarification (par exemple, par centrifugation) de la liqueur de dissolution ainsi obtenue ; - a solution resulting from the operations of dissolving spent nuclear fuel in a strong acid such as nitric acid, and clarifying (for example, by centrifugation) the dissolution liquor thus obtained;
- d'une solution résultant d'une attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé, c'est-dire des solides de faible granulométrie qui n'ont pas été dissous au cours de l'opération de dissolution du combustible et qui ont, donc, été séparés de la liqueur de dissolution lors de l'opération de clarification de cette liqueur ; ou encore- a solution resulting from an acid attack of fines from the dissolution of spent nuclear fuel, i.e. solids of small particle size which have not been dissolved during the fuel dissolution operation and which have therefore been separated from the dissolution liquor during the clarification operation of this liquor; or
- d'une solution épuisée en uranium et plutonium mais riche en PF, à laquelle on donne le nom de raffinât et qui résulte des opérations d'extraction, de séparation et de purification de l'uranium et du plutonium qui sont typiquement mises en oeuvre dans le traitement d'un combustible nucléaire usé. - a solution depleted in uranium and plutonium but rich in FP, to which we give the name of raffinate and which results from the operations of extraction, separation and purification of uranium and plutonium which are typically implemented in the processing of spent nuclear fuel.
Dans le cadre de l'invention, on préfère que la solution aqueuse acide contenant des PF soit une solution résultant d'une attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé. Plus spécifiquement, on préfère qu'il s'agisse d'une solution résultant d'une attaque par de l'acide nitrique ou un mélange d'acides comprenant de l'acide nitrique, tel qu'un mélange d'acides nitrique et fluorhydrique, de fines de dissolution d'un procédé PUREX (de Plutonium Uranium Refining by Extraction). In the context of the invention, it is preferred that the acidic aqueous solution containing FPs be a solution resulting from an acid attack of fines from the dissolution of a spent nuclear fuel. More specifically, it is preferred that it be a solution resulting from an attack by nitric acid or a mixture of acids comprising nitric acid, such as a mixture of nitric and hydrofluoric acids , dissolving fines from a PUREX process (from Plutonium Uranium Refining by Extraction).
Le procédé PUREX, tel qu'il est mis en oeuvre dans l'usine française de traitement des combustibles nucléaires usés de La Hague, est décrit dans la monographie Treatment and recycling of spent nuclear fuel - Actinide partitioning - Application to waste management du Commissariat à l'énergie atomique, éditée en 2008 par Le Moniteur, ci- après référence [6]. The PUREX process, as it is implemented in the French spent nuclear fuel processing plant at La Hague, is described in the monograph Treatment and recycling of spent nuclear fuel - Actinide partitioning - Application to waste management of the Commissariat à atomic energy, published in 2008 by Le Moniteur, hereinafter reference [6].
La composition qualitative des solutions aqueuses acides produites au cours du traitement d'un combustible nucléaire usé et, notamment, celle des solutions résultant d'une attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé varie en fonction du type de combustible nucléaire, du type de réacteur nucléaire dans lequel le combustible a été irradié, des conditions d'irradiation auxquelles le combustible a été soumis et, notamment, du taux de combustion, ainsi que du temps pendant lequel le combustible usé a été refroidi une fois sorti du réacteur nucléaire. The qualitative composition of the acidic aqueous solutions produced during the treatment of spent nuclear fuel and, in particular, that of the solutions resulting from an acid attack of fines from the dissolution of spent nuclear fuel varies according to the type of nuclear fuel, the type of nuclear reactor in which the fuel was irradiated, the irradiation conditions to which the fuel was subjected and, in particular, the burnup rate, as well as the time during which the spent fuel was cooled after leaving the reactor nuclear.
Néanmoins, de telles solutions aqueuses comprennent un certain nombre de PF en quantités significatives dont du palladium (Pd), du ruthénium (Ru) et du rhodium (Rh) pour des temps de refroidissement inférieurs à environ 30 ans et du palladium (Pd) et du rhodium (Rh) pour des temps de refroidissement plus longs. Nevertheless, such aqueous solutions include a number of FPs in significant amounts including palladium (Pd), ruthenium (Ru) and rhodium (Rh) for cooling times of less than about 30 years and palladium (Pd) and rhodium (Rh) for longer cooling times.
Comme précédemment indiqué, l'anode de la cellule d'électrolyse doit avoir au moins une partie de sa surface externe qui comprend du palladium, du ruthénium et/ou du rhodium radioactifs issus d'une solution aqueuse acide de produits de fission d'un combustible nucléaire usé. As previously indicated, the anode of the electrolysis cell must have at least a part of its external surface which comprises palladium, ruthenium and/or radioactive rhodium from an acidic aqueous solution of fission products from spent nuclear fuel.
Ce qui signifie que l'anode peut être : Which means that the anode can be:
- soit une anode massive, c'est-à-dire une anode qui est constituée de l'un de ces platinoïdes radioactifs ou d'un alliage de ceux-ci, par exemple, un alliage Pd/Ru, Pd/Rh ou Pd/Ru/Rh, - either a solid anode, that is to say an anode which is made of one of these radioactive platinoids or of an alloy of these, for example, a Pd/Ru, Pd/Rh or Pd alloy /Ru/Rh,
- soit une anode qui comprend un support, ou substrat, électroconducteur dont tout ou partie de la surface externe comprend un dépôt de l'un ou plusieurs desdits platinoïdes radioactifs. - or an anode which comprises a support, or substrate, electrically conductive of which all or part of the outer surface comprises a deposit of one or more of said radioactive platinoids.
C'est ce deuxième type d'anode qui est privilégiée dans le cadre de l'invention.It is this second type of anode which is preferred in the context of the invention.
Une telle anode peut notamment être obtenue : Such an anode can in particular be obtained:
- par électrodépôt, ou dépôt électrochimique, du ou des platinoïdes sur le support électroconducteur, ou bien - by electrodeposition, or electrochemical deposition, of the platinoid(s) on the electrically conductive support, or else
- par dépôt chimique electroless du ou des platinoïdes sur le support électroconducteur, c'est-à-dire par réduction chimique du ou des platinoïdes en solution au moyen d'un agent réducteur tel que l'hydrazine (comme décrit, par exemple, par J. F. Rivadulla et al. dans J. Phys. Chem. B 1997, 101, 8997-9004, ci-après référence [7]), un hypophosphite (comme décrit, par exemple, par M. I. C. F. Costa et al. dans ISRN Organic Chemistry 2011, article ID 759817, 1-7, ci-après référence [8]) ou un borohydrure (comme décrit, par exemple, par S. Lankiang et al. dans Electrochemica Acta 2015, 182, 131-142, ci- après référence [9]). - by electroless chemical deposition of the platinoid(s) on the electrically conductive support, that is to say by chemical reduction of the platinoid(s) in solution by means of a reducing agent such as hydrazine (as described, for example, by J. F. Rivadulla et al in J. Phys. Chem. B 1997, 101, 8997-9004, hereinafter reference [7]), a hypophosphite (as described, for example, by M. I. C. F. Costa et al. in ISRN Organic Chemistry 2011 , article ID 759817, 1-7, hereinafter reference [8]) or a borohydride (as described, for example, by S. Lankiang et al. in Electrochemica Acta 2015, 182, 131-142, hereinafter reference [ 9]).
Dans le cadre de l'invention, on préfère que le dépôt du ou des platinoïdes radioactifs sur le support électroconducteur soit réalisé par électrodépôt en raison de ce que cette technique de dépôt est plus aisée à mettre en œuvre qu'un dépôt chimique electroless dans le cas de matières radioactives et évite, de surcroît, d'avoir à utiliser des réactifs chimiques du type agents réducteurs et agents complexants. In the context of the invention, it is preferred that the deposition of the radioactive PGM(s) on the electrically conductive support is carried out by electrodeposition because this deposition technique is easier to implement than an electroless chemical deposition in the case of radioactive materials and avoids, moreover, having to use chemical reagents such as reducing agents and complexing agents.
Quelle que soit la technique de dépôt utilisée, le support électroconducteur peut être en tout matériau pour autant qu'il présente une conductivité électronique élevée, une stabilité électrochimique et, notamment, une résistance à l'oxydation, ainsi qu'une stabilité chimique, en particulier en milieux acide et basique. Ainsi, il peut notamment s'agir : Whatever the deposition technique used, the electrically conductive support can be made of any material provided that it has high electronic conductivity, electrochemical stability and, in particular, resistance to oxidation, as well as chemical stability, in especially in acidic and basic environments. Thus, it may in particular be:
- d'un support en carbone et, en particulier, en carbone vitreux, - a carbon support and, in particular, glassy carbon,
- d'un support en acier inoxydable, - a stainless steel support,
- d'un support en un métal tel que le platine, le titane ou le tantale, ou en un alliage métallique, - a support in a metal such as platinum, titanium or tantalum, or in a metal alloy,
- d'un support en un oxyde tel que le dioxyde de titane (Ti O2), un nitrure tel que le nitrure de titane (Ti N), ou un carbonitrure tel que le carbonitrure de titane (TiCN),- a support in an oxide such as titanium dioxide (Ti O2), a nitride such as titanium nitride (Ti N), or a carbonitride such as titanium carbonitride (TiCN),
- d'un support en un polymère électroconducteur tel que la polyaniline, le polypyrrole ou le polythiophène, comme décrit, par exemple, par A. Lima et al. dans Journal of Applied Electrochemistry 2001, 31, 379-386, ci-après référence [10], et par C. Coutanceau et al. dans Electrochimica Acta 1995, 40(17), 2739-2748, ci-après référence [U]. - a support made of an electrically conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole or polythiophene, as described, for example, by A. Lima et al. in Journal of Applied Electrochemistry 2001, 31, 379-386, reference [10] below, and by C. Coutanceau et al. in Electrochimica Acta 1995, 40(17), 2739-2748, hereinafter reference [U].
Parmi ceux-ci, préférence est donnée à un support en carbone (parce que le carbone est totalement neutre vis-à-vis des réactions d'oxydo-réduction) et, plus particulièrement, à un support en carbone vitreux. Among these, preference is given to a carbon support (because carbon is completely neutral with respect to oxidation-reduction reactions) and, more particularly, to a vitreous carbon support.
Comme précédemment mentionné, les solutions aqueuses acides produites au cours du traitement d'un combustible nucléaire usé comprennent du palladium, du ruthénium et du rhodium. As previously mentioned, the acidic aqueous solutions produced during the processing of spent nuclear fuel include palladium, ruthenium and rhodium.
Il en résulte qu'un dépôt réalisé par électrodépôt ou réduction chimique à partir d'une telle solution (sans séparation préalable des platinoïdes) comprend typiquement un mélange de palladium, de ruthénium et de rhodium. As a result, a deposit made by electrodeposition or chemical reduction from such a solution (without prior separation of the platinoids) typically comprises a mixture of palladium, ruthenium and rhodium.
Toutefois, on préfère que ce dépôt comprenne majoritairement du palladium, c'est-à-dire que le palladium représente plus de 50 % massiques, de préférence au moins 70 % massiques et, mieux encore, au moins 80 % massiques de la masse du dépôt. However, it is preferred that this deposit mainly comprises palladium, that is to say that the palladium represents more than 50% by mass, preferably at least 70% by mass and, even better, at least 80% by mass of the mass of the deposit.
Les conditions opératoires dans lesquelles sera effectuée l'électrodépôt ou la réduction chimique du ou des platinoïdes seront donc choisies en conséquence, ce qui entre dans les compétences normales d'un homme du métier compte-tenu de l'abondante littérature se rapportant aux techniques de dépôt des platinoïdes et, en particulier, du palladium sur des supports. Quant à la teneur massique du palladium dans le dépôt, elle pourra aisément être vérifiée en dissolvant ce dépôt par immersion du support le comprenant dans une solution très concentrée en un acide fort, par exemple l'acide nitrique, ou en un mélange d'acides forts et en soumettant la solution résultant de cette dissolution à une analyse quantitative et qualitative, par exemple par spectrométrie d'émission atomique par plasma à couplage inductif (ICP-AES). The operating conditions under which the electrodeposition or the chemical reduction of the platinoid(s) will be carried out will therefore be chosen accordingly, which falls within the normal skills of a person skilled in the art given the abundant literature relating to the techniques of deposition of platinoids and, in particular, palladium on supports. As for the mass content of the palladium in the deposit, it can easily be checked by dissolving this deposit by immersing the support comprising it in a highly concentrated solution of a strong acid, for example nitric acid, or of a mixture of acids. strong and by subjecting the solution resulting from this dissolution to a quantitative and qualitative analysis, for example by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES).
Comme connu en soi et, notamment, de la référence [4] pour le palladium, en milieu radioactif, la réduction électrolytique des ions platinoïdes entre en compétition avec la réduction autocatalytique des ions nitrates (NO3 ) en ions nitrites (NO2 ) et cette compétition est d'autant plus intense en défaveur de la réaction de réduction des platinoïdes que les teneurs en acide nitrique et acide nitreux sont élevées au point de rendre impossible, au-delà d'un certain stade, le dépôt de platinoïdes par électrodépôt sur certains types de supports tels que les supports en carbone. As known per se and, in particular, from reference [4] for palladium, in a radioactive medium, the electrolytic reduction of platinoid ions competes with the autocatalytic reduction of nitrate ions (NO3) into nitrite ions (NO2) and this competition is all the more intense to the detriment of the PGM reduction reaction when the nitric acid and nitrous acid contents are so high as to make impossible, beyond a certain stage, the deposition of PGMs by electrodeposition on certain types supports such as carbon supports.
Dans ce cas, il peut être nécessaire, selon la nature du support électro-conducteur et dans le but de réduire la vitesse de réduction des ions nitrates, de procéder à un dépôt sur la partie ou sur la totalité de la surface externe de ce support sur laquelle l'électrodépôt du ou des platinoïdes radioactifs doit être réalisé, d'un élément métallique non radioactif choisi parmi le palladium, le tantale, le niobium, l'acier inoxydable, le chrome, le titane, le zirconium ou de tout autre matériau électroconducteur stable dans le milieu d'électrodépôt et sur lequel la réduction des ions nitrates est lente, avant de procéder au dépôt du ou des platinoïdes radioactifs. In this case, it may be necessary, depending on the nature of the electrically conductive support and with the aim of reducing the rate of reduction of the nitrate ions, to carry out a deposit on part or on the whole of the external surface of this support. on which the electrodeposition of the radioactive platinoid(s) is to be made, of a non-radioactive metallic element chosen from among palladium, tantalum, niobium, stainless steel, chromium, titanium, zirconium or any other material stable electroconductor in the electrodeposition medium and on which the reduction of nitrate ions is slow, before proceeding with the deposition of the radioactive platinoid(s).
On obtient ainsi une anode dont la surface externe du support électro-conducteur comprend un dépôt dudit élément métallique non radioactif sous le dépôt du ou des platinoïdes radioactifs. An anode is thus obtained, the external surface of the electroconductive support of which comprises a deposit of said non-radioactive metallic element under the deposit of the radioactive platinoid(s).
Conformément à l'invention, la cellule d'électrolyse est avantageusement une cellule d'électrolyse à deux compartiments séparés, de préférence par une membrane échangeuse de cations et, mieux encore, une cellule d'électrolyse à membrane échangeuse de protons, ou PEMEC de Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell. In accordance with the invention, the electrolysis cell is advantageously an electrolysis cell with two compartments separated, preferably by a cation exchange membrane and, even better, an electrolysis cell with a proton exchange membrane, or PEMEC of Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell.
Comme connu en soi, une cellule PEMEC comprend typiquement : - un composant central, dénommé Assemblage-Membrane-Electrodes (AME), comprenant lui-même : As known per se, a PEMEC cell typically comprises: - a central component, called Assembly-Membrane-Electrodes (AME), itself comprising:
* une membrane polymère étanche aux gaz qui est typiquement en une membrane perfluorée sulfonique et qui joue le rôle d'électrolyte conducteur de protons, de séparateur électronique et de séparateur de gaz, * a gas-tight polymer membrane which is typically a perfluorinated sulfonic membrane and which acts as a proton-conducting electrolyte, electronic separator and gas separator,
* une anode qui, dans le cas où la cellule PEMEC, est utilisée pour électrolyser un alcool, est le siège de l'oxydation de cet alcool, * an anode which, in the case where the PEMEC cell is used to electrolyze an alcohol, is the site of the oxidation of this alcohol,
* une cathode qui est le siège de la réduction des protons ayant migré au travers de la membrane en hydrogène moléculaire, * a cathode which is the seat of the reduction of the protons having migrated through the membrane into molecular hydrogen,
- deux couches de diffusion qui sont disposées de part et d'autre de l'AME et dont le rôle est de permettre le contact électrique ainsi que l'approvisionnement en réactifs (alcool + eau) et l'évacuation des produits ; et - two diffusion layers which are arranged on either side of the MEA and whose role is to allow electrical contact as well as the supply of reagents (alcohol + water) and the evacuation of products; And
- deux plaques collectrices de courant qui sont, elles-mêmes, disposées de part et d'autre des couches de diffusion et qui peuvent être monopolaires (si la cellule d'électrolyse est une cellule individuelle) ou bipolaires (si la cellule d'électrolyse est associée à d'autres cellules dans un module d'électrolyse). - two current collector plates which are themselves arranged on either side of the diffusion layers and which can be monopolar (if the electrolysis cell is an individual cell) or bipolar (if the electrolysis cell is associated with other cells in an electrolysis module).
Dans le cas où la réaction d'oxydation de l'alcool à l'anode est complète, la demi- réaction suivante est considérée :
Figure imgf000010_0001
In the case where the oxidation reaction of the alcohol at the anode is complete, the following half-reaction is considered:
Figure imgf000010_0001
Cependant, la rupture de la liaison carbone-carbone dans les alcools étant difficile aux basses températures auxquelles ont lieu les électrolyses (< 100 °C), des cétones dans le cas d'alcools secondaires, et des aldéhydes et des acides carboxyliques dans le cas d'alcools primaires, peuvent être produits selon les demi-réactions suivantes : pour un alcool primaire : R-CH2OH R-CHO + 2H+ + 2e_ (2), ou However, the breaking of the carbon-carbon bond in alcohols being difficult at the low temperatures at which electrolyses take place (< 100 °C), ketones in the case of secondary alcohols, and aldehydes and carboxylic acids in the case of primary alcohols, can be produced according to the following half-reactions: for a primary alcohol: R-CH 2 OH R-CHO + 2H + + 2e _ (2), or
R-CH2OH + H2O R-COOH + 4H+ + 4e" (3), ou R-CH 2 OH + H 2 O R-COOH + 4H + + 4e" (3), or
R-CH2OH + 2H2O R'-OH + CO2 + 6H+ + 6e" (4), etc., pour un alcool secondaire : RI-CHOH-R2 RI-CO-R2 + 2H+ + 2e_ (5). R-CH 2 OH + 2H 2 O R'-OH + CO 2 + 6H + + 6e" (4), etc., for a secondary alcohol: RI-CHOH-R 2 RI-CO-R 2 + 2H + + 2nd _ (5).
Pour la réduction des protons à la cathode, la demi-réaction suivante est considérée : n(H+ + e ) (n/2)H2 (6), les sommes des demi-réactions (2), (3), (4) ou (5) avec (6) conduisant aux réactions ci- après : pour un alcool primaire :
Figure imgf000011_0001
(7), ou
Figure imgf000011_0002
For the reduction of protons at the cathode, the following half-reaction is considered: n(H + + e ) (n/2)H 2 (6), the sums of the half-reactions (2), (3), (4) or (5) with (6) leading to the reactions below: for a primary alcohol:
Figure imgf000011_0001
(7), or
Figure imgf000011_0002
R-CH2OH + 2H2O R'-OH + CO2 + 3H2 (9), etc., pour un alcool secondaire : R1-CHOH-R2 R1-CO-R2 + H2 (10). R-CH2OH + 2H 2 O R'-OH + CO 2 + 3H 2 (9), etc., for a secondary alcohol: R1-CHOH-R2 R1-CO-R2 + H2 (10).
Il va de soi, toutefois, que d'autres types de cellules électrolytiques peuvent être envisagés comme, par exemple, une cellule d'électrolyse à membrane échangeuse d'anions, ou AEMEC de Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell, une cellule d'électrolyse alcaline, ou AEC de Alkaline Electrolysis Cell, une cellule à membrane de séparation des compartiments poreuse ou encore une cellule sans séparation des compartiments. It goes without saying, however, that other types of electrolytic cells can be envisaged such as, for example, an anion exchange membrane electrolysis cell, or AEMEC from Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell, an alkaline electrolysis cell , or AEC from Alkaline Electrolysis Cell, a cell with a porous compartment separation membrane or a cell without compartment separation.
Dans le cas où la cellule d'électrolyse est une PEMEC, alors la membrane polymère peut notamment être l'une des membranes perfluorées sulfoniques qui sont commercialisées sous les références commerciales Nafion™ et Aquivion™, tandis que la cathode peut notamment être à base de nanoparticules de platine disposées sur un support carboné. In the case where the electrolysis cell is a PEMEC, then the polymer membrane may in particular be one of the perfluorinated sulfonic membranes which are marketed under the trade references Nafion™ and Aquivion™, while the cathode may in particular be based on platinum nanoparticles placed on a carbon support.
Comme connu en soi, l'électrolyse de l'alcool peut être réalisée en milieu acide ou en milieu alcalin (cf. référence [1]). As known per se, the electrolysis of alcohol can be carried out in an acid medium or in an alkaline medium (cf. reference [1]).
Toutefois, on préfère, dans le cadre de l'invention, qu'elle soit réalisée en milieu alcalin, par exemple une solution aqueuse comprenant 1 mol/L d'hydroxyde de sodium dans de l'eau ultrapure, en raison de ce que la cinétique d'oxydation des alcools est plus rapide en milieu alcalin qu'en milieu acide. However, it is preferred, within the scope of the invention, for it to be carried out in an alkaline medium, for example an aqueous solution comprising 1 mol/L of sodium hydroxide in ultrapure water, because the oxidation kinetics of alcohols is faster in an alkaline medium than in an acid medium.
Conformément à l'invention, l'alcool soumis à l'électrolyse est, de préférence, un alcool aliphatique saturé à chaîne linéaire, lequel peut être un monoalcool tel que le méthanol, l'éthanol, le propanol ou le n-butanol, ou un bien un polyalcool, ou polyol, tel que le l'éthylène glycol, le propylène glycol, le glycérol, le sorbitol, le mannitol et le xylitol. In accordance with the invention, the alcohol subjected to electrolysis is preferably a straight-chain saturated aliphatic alcohol, which may be a monoalcohol such as methanol, ethanol, propanol or n-butanol, or or a polyalcohol, or polyol, such as ethylene glycol, propylene glycol, glycerol, sorbitol, mannitol and xylitol.
De préférence, l'alcool est un alcool biosourcé, c'est-à-dire issu de la biomasse oléagineuse ou de la biomasse lignocellulosique, tel que l'éthanol, le glycérol, le sorbitol, le mannitol et le xylitol. De manière préférée entre toutes, l'alcool est de l'éthanol ou du glycérol biosourcé. Preferably, the alcohol is a bio-sourced alcohol, that is to say from oleaginous biomass or lignocellulosic biomass, such as ethanol, glycerol, sorbitol, mannitol and xylitol. Most preferably, the alcohol is ethanol or bio-based glycerol.
Outre les avantages précédemment mentionnés qui sont ceux que présente un procédé de reformage électrochimique d'un alcool par rapport à celui de l'eau (moindre consommation énergétique, valorisation d'alcools issus de la biomasse, production de coproduits (aldéhydes, acides carboxyliques, etc.) à plus grande valeur ajoutée que l'oxygène qui est le seul co-produit du reformage électrochimique de l'eau, etc.), l'invention présente les avantages suivants : In addition to the advantages mentioned above, which are those offered by an alcohol electrochemical reforming process compared to that of water (lower energy consumption, recovery of alcohols from biomass, production of co-products (aldehydes, carboxylic acids, etc.) with greater added value than oxygen which is the only co-product of the electrochemical reforming of water, etc.), the invention has the following advantages:
- de par le couplage des activités catalytique et radioactive des platinoïdes sur la réaction d'électro-oxydation des alcools, celui d'augmenter de manière très significative les courants d'oxydation anodique, à un potentiel d'électrolyse donné, par rapport à ceux obtenus par seule activation catalytique, ce qui peut se traduire par une augmentation de la vitesse de production de l'hydrogène à la cathode de l'électrolyseur pour la même énergie électrique consommée, ou bien, une diminution de l'énergie électrique consommée pour une même vitesse de dégagement d'hydrogène à la cathode ; et - due to the coupling of the catalytic and radioactive activities of platinoids on the electro-oxidation reaction of alcohols, that of very significantly increasing the anodic oxidation currents, at a given electrolysis potential, compared to those obtained by catalytic activation alone, which can result in an increase in the rate of production of hydrogen at the cathode of the electrolyser for the same electrical energy consumed, or else, a reduction in the electrical energy consumed for a same rate of hydrogen evolution at the cathode; And
- celui de permettre, dans le cas où la solution aqueuse acide de produits de fission est une solution résultant d'une attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé ou un raffinât d'un procédé de traitement d'un combustible usé, une valorisation d'une source de platinoïdes qui constitue aujourd'hui un déchet de haute activité et, par là même, de réduire la masse de déchets destinés à un stockage en couches profondes. - that of allowing, in the case where the acidic aqueous solution of fission products is a solution resulting from an acid attack of fines from the dissolution of a spent nuclear fuel or a raffinate from a process for treating a spent fuel , recovery of a source of PGMs which today constitutes high-level waste and, thereby, to reduce the mass of waste destined for disposal in deep layers.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit, qui se rapporte à des essais ayant permis de valider l'invention et qui se réfère aux figures annexées. Other characteristics and advantages of the invention will become apparent from the additional description which follows, which relates to tests which made it possible to validate the invention and which refers to the appended figures.
Il va de soi toutefois que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES It goes without saying, however, that this additional description is only given by way of illustration of the object of the invention and should in no way be interpreted as a limitation of this object. BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES
La figure 1 et la figure 2 représentent les résultats d'essais visant à évaluer, par voltampérométrie linéaire dans une solution d'hydroxyde de sodium à 1 mol/L contenant 0,1 mol/L d'éthanol, l'activité électrolytique dans la réaction d'électro-oxydation de l'éthanol en éthanal de dépôt de platinoïdes radioactifs obtenus à partir d'une solution aqueuse d'attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé (courbesFigure 1 and Figure 2 show the results of tests aimed at evaluating, by linear voltammetry in a 1 mol/L sodium hydroxide solution containing 0.1 mol/L of ethanol, the electrolytic activity in the electro-oxidation reaction of ethanol to ethanal deposition of radioactive PGMs obtained from an aqueous solution of acid attack of fines from dissolution of spent nuclear fuel (curves
1) et à la comparer à celle des dépôts réalisés au moyen d'une solution inactive simulant la solution de platinoïdes radioactifs (courbes 2 et 3 sur la figure 1 ; courbes 2 et 4 sur la figure1) and comparing it to that of deposits made using an inactive solution simulating the solution of radioactive PGMs (curves 2 and 3 in figure 1; curves 2 and 4 in figure
2) ; sur ces figures, l'axe des abscisses correspond à la polarisation, notée E et exprimée en V versus Hg/HgO, tandis que l'axe des ordonnées correspond à la densité de courant, notée J et exprimée en mA/cm2. 2); in these figures, the abscissa axis corresponds to the polarization, denoted E and expressed in V versus Hg/HgO, while the ordinate axis corresponds to the current density, denoted J and expressed in mA/cm 2 .
La figure 3 représente les résultats d'essais visant à évaluer, par voltampérométrie cyclique, dans une solution d'hydroxyde de sodium à 1 mol/L, la surface active de dépôts de platinoïdes radioactifs obtenus à partir d'une solution aqueuse d'attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé (courbes 1) et à la comparer à celle d'autres types de dépôts réalisés au moyen d'une solution inactive simulant la solution de platinoïdes radioactifs dans les mêmes conditions (courbes 2) ; sur cette figure, l'axe des abscisses correspond à la polarisation, notée E et exprimée en V versus Hg/HgO, tandis que l'axe des ordonnées correspond à la densité de courant, notée J et exprimée en mA/cm2 FIG. 3 represents the results of tests aimed at evaluating, by cyclic voltammetry, in a 1 mol/L sodium hydroxide solution, the active surface of deposits of radioactive PGMs obtained from an aqueous etching solution acid of fines from the dissolution of a spent nuclear fuel (curves 1) and to compare it with that of other types of deposits made using an inactive solution simulating the solution of radioactive platinoids under the same conditions (curves 2); in this figure, the abscissa axis corresponds to the polarization, denoted E and expressed in V versus Hg/HgO, while the ordinate axis corresponds to the current density, denoted J and expressed in mA/cm 2
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS DETAILED DISCUSSION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Les essais qui sont rapportés ci-après ont été réalisés en vue d'évaluer l'activité catalytique dans la réaction d'électro-oxydation de l'éthanol en éthanal de dépôts de platinoïdes radioactifs obtenus à partir d'une solution aqueuse d'attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé - cette solution étant appelée solution réelle dans ce qui suit - et de la comparer avec celle : The tests which are reported below were carried out with a view to evaluating the catalytic activity in the reaction of electro-oxidation of ethanol to ethanal of deposits of radioactive platinoids obtained from an aqueous solution of attack acid of dissolving fines of a spent nuclear fuel - this solution being called real solution in what follows - and to compare it with that:
- d'une part, de dépôts de platinoïdes non radioactifs obtenus à partir d'une solution aqueuse simulant la solution d'attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé, dite solution simulée dans ce qui suit, et - d'autre part, de dépôts de platinoïdes radioactifs obtenus à partir de la solution réelle puis recouverts par un dépôt de platinoïdes non radioactifs obtenu à partir de la solution simulée. - on the one hand, deposits of non-radioactive PGMs obtained from an aqueous solution simulating the acid attack solution of fines from the dissolution of a spent nuclear fuel, referred to as simulated solution in the following, and - on the other hand, deposits of radioactive PGMs obtained from the real solution then covered by a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution.
Est également rapporté un essai visant à apprécier l'activité catalytique, également dans la réaction d'électro-oxydation de l'éthanol en éthanal, de dépôts de platinoïdes non radioactifs obtenus à partir de la solution simulée à laquelle a été préalablement ajouté un élément radioactif, en l'espèce du technétium-99. Also reported is a test aimed at assessing the catalytic activity, also in the reaction of electro-oxidation of ethanol to ethanal, of deposits of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution to which an element radioactive, in this case technetium-99.
Sont donc décrits dans ce qui suit : Are therefore described in the following:
- la préparation de la solution réelle, - the preparation of the real solution,
- la préparation de la solution simulée, - the preparation of the simulated solution,
- la réalisation des dépôts à partir de ces solutions, - the production of deposits from these solutions,
- des essais de voltampérométrie linéaire visant à évaluer l'activité électrocatalytique des différents types de dépôts, et - linear voltammetry tests aimed at evaluating the electrocatalytic activity of the different types of deposits, and
- des essais de voltampérométrie cyclique visant à évaluer la surface active des différents types de dépôts. - cyclic voltammetry tests aimed at evaluating the active surface of the different types of deposits.
I - Préparation de la solution réelle : I - Preparation of the real solution:
Des fines de dissolution issues du traitement de combustibles nucléaires à La Hague sont soumises à un traitement d'attaque acide de 24 heures que l'on réalise au moyen d'une solution aqueuse comprenant 7 mol/L d'acide nitrique et 11 mol/L d'acide fluorhydrique, dans un autoclave chauffé à 170°C. Dissolution fines from the processing of nuclear fuels at La Hague are subjected to an acid attack treatment for 24 hours which is carried out by means of an aqueous solution comprising 7 mol/L of nitric acid and 11 mol/L of L of hydrofluoric acid, in an autoclave heated to 170°C.
Après ouverture de l'autoclave, de l'acide nitrique à 0,5 mol/L est ajouté à la solution aqueuse issue de l'attaque acide. Les teneurs minimales en acide nitrique et en acide fluorhydrique de cette solution sont alors respectivement de 5,7 mol/L et de 8,8 mol/L. After opening the autoclave, nitric acid at 0.5 mol/L is added to the aqueous solution resulting from the acid attack. The minimum nitric acid and hydrofluoric acid contents of this solution are then 5.7 mol/L and 8.8 mol/L respectively.
La solution aqueuse ainsi obtenue contient, outre de l'uranium, des produits de fission non platinoïdes (Fe, Ni, Cr, Mo, Te, Zr, etc.) et des produits de fission de la famille des platinoïdes, à savoir du palladium 0,34 g/L), du ruthénium 1,8 g/L) et du rhodium ( 0,27 g/L). The aqueous solution thus obtained contains, in addition to uranium, non-platinoid fission products (Fe, Ni, Cr, Mo, Te, Zr, etc.) and fission products from the family of platinoids, namely palladium 0.34 g/L), ruthenium 1.8 g/L) and rhodium (0.27 g/L).
Il - Préparation de la solution simulée : On prépare la solution simulée par dissolution au micro-ondes à 180 °C et pendant 1 heure d'un mélange de réactifs comprenant du fer, du nickel et du chrome (sous la forme de paillettes d'acier inoxydable 304 L), du molybdène (sous la forme de MoOs), du rhénium (sous la forme de F^O?) pour simuler le technétium, du zirconium (sous la forme de ZrÜ2), du palladium (sous la forme de Pd(NOs)2, H2O), du ruthénium (sous la forme de RU(NO)(NO3)S), et du rhodium (sous la forme de Rh(H2O)(OH)3-y(NO3)y) dans un milieu composé d'acide nitrique 5,7 M et d'acide fluorhydrique 8,8 M. II - Preparation of the simulated solution: The simulated solution is prepared by dissolution in the microwave at 180° C. and for 1 hour of a mixture of reagents comprising iron, nickel and chromium (in the form of 304 L stainless steel flakes), molybdenum (in the form of MoOs), rhenium (in the form of F^O?) to simulate technetium, zirconium (in the form of ZrÜ2), palladium (in the form of Pd(NOs)2, H2O) , ruthenium (in the form of RU(NO)(NO3)S), and rhodium (in the form of Rh(H2O)(OH)3- y (NO3) y ) in a medium composed of nitric acid 5 .7 M and 8.8 M hydrofluoric acid.
Seul, l'uranium présent dans la solution aqueuse préparée au point I ci-avant n'est pas simulé. Only the uranium present in the aqueous solution prepared in point I above is not simulated.
Les quantités des réactifs dissous dans le milieu HNO3/HF sont choisies de sorte que la composition massique de la solution simulée soit identique à celle de la solution aqueuse préparée au point I ci-avant. The amounts of reagents dissolved in the HNO3/HF medium are chosen so that the mass composition of the simulated solution is identical to that of the aqueous solution prepared in point I above.
Ill - Réalisation des dépôts de platinoïdes : Ill - Production of PGM deposits:
Il 1.1 - Dépôts des platinoïdes non radioactifs à partir de la solution simulée :Il 1.1 - Deposits of non-radioactive PGMs from the simulated solution:
On effectue, sur une série d'électrodes en carbone vitreux (CV), des dépôts par électrodépôt à partir de la solution simulée. Electrodeposition of the simulated solution is performed on a series of vitreous carbon (CV) electrodes.
Les électrodes en CV sont des électrodes commercialisées par la société BioLogic sous la référence A-002417. Elles se présentent sous la forme de tiges de ca rbone vitreux de 5 mm de diamètre (soit 0,196 cm2) qui sont enchâssées dans une enveloppe de polyétheréthercétone (PEEK). The CV electrodes are electrodes marketed by the company BioLogic under the reference A-002417. They are in the form of glassy carbon rods 5 mm in diameter (ie 0.196 cm 2 ) which are embedded in a polyetheretherketone (PEEK) envelope.
Les dépôts sont réalisés en utilisant : Deposits are made using:
- une cellule électrolytique comprenant : - an electrolytic cell comprising:
* une cuve de 6,3 cm de diamètre, permettant de recevoir 50 mL de solution électrolytique (soit 1,8 cm de hauteur de solution électrolytique), * a tank 6.3 cm in diameter, to receive 50 mL of electrolytic solution (i.e. 1.8 cm in height of electrolytic solution),
* l'électrode en CV comme électrode de travail, * the CV electrode as the working electrode,
* un fil d'or serti dans une plaque de CV, le tout étant enchâssé dans une enveloppe en PEEK comme contre-électrode, * a gold wire crimped in a CV plate, the whole being embedded in a PEEK envelope as a counter-electrode,
* une électrode en CV identique à l'électrode de travail comme électrode de pseudo référence ; un potentiostat BioLogic VSP-300, et en appliquant un potentiel de 0,21 V versus ENH (électrode normale à hydrogène), soit -0,88 V versus CV, pendant 5 minutes. * a CV electrode identical to the working electrode as pseudo reference electrode; a BioLogic VSP-300 potentiostat, and by applying a potential of 0.21 V versus ENH (normal hydrogen electrode), i.e. -0.88 V versus CV, for 5 minutes.
L'analyse par ICP-AES du dépôt ainsi réalisé sur l'une des électrodes (après dissolution de ce dépôt par immersion de l'électrode dans de l'acide nitrique à 14,3 mol/L pendant 24 heures) montre que les dépôts sont riches en palladium (> 80 % massiques) mais comprennent également du ruthénium (>7 % massiques) et du rhodium (> 3 % massiques). Analysis by ICP-AES of the deposit thus produced on one of the electrodes (after dissolution of this deposit by immersion of the electrode in nitric acid at 14.3 mol/L for 24 hours) shows that the deposits are rich in palladium (> 80% by mass) but also include ruthenium (>7% by mass) and rhodium (>3% by mass).
Il 1.2 - Dépôts des platinoïdes radioactifs à partir de la solution réelle : Il 1.2 - Deposits of radioactive PGMs from the real solution:
Dans le cadre de leurs travaux, les Inventeurs ont constaté qu'en accord avec l'enseignement de la référence [4], il ne leur était pas possible d'obtenir par électrodéposition un dépôt de platinoïdes à partir de la solution réelle sur des électrodes en CV parce qu'en présence de radioactivité, la réduction des ions NOs" en ions NC prend effectivement le dessus sur la réduction des ions platinoïdes lors de la polarisation du CV et empêche ainsi le dépôt de ces platinoïdes. As part of their work, the Inventors found that, in accordance with the teaching of reference [4], it was not possible for them to obtain by electrodeposition a deposit of platinoids from the real solution on electrodes in CV because in the presence of radioactivity, the reduction of the NOs" ions into NC ions actually takes over the reduction of the platinoid ions during the polarization of the CV and thus prevents the deposition of these platinoids.
Par contre, il leur a été possible d'obtenir des dépôts de platinoïdes à partir de la solution réelle en utilisant des électrodes sur lesquelles ont été préalablement déposés des platinoïdes non radioactifs comme décrit au point II 1.1 ci-avant. On the other hand, it was possible for them to obtain deposits of platinoids from the real solution by using electrodes on which non-radioactive platinoids were previously deposited as described in point II 1.1 above.
Les dépôts de platinoïdes radioactifs sont donc réalisés avec le même matériel que celui utilisé au point II 1.1 ci-avant - à l'exception de l'électrode de travail puisque celle-ci comprend déjà un dépôt de platinoïdes non radioactifs - et en appliquant le même potentiel que celui appliqué au point II 1.1 ci-avant mais pendant 5 minutes. The deposits of radioactive PGMs are therefore made with the same equipment as that used in point II 1.1 above - with the exception of the working electrode since this already includes a deposit of non-radioactive PGMs - and by applying the same potential as that applied in point II 1.1 above but for 5 minutes.
111.3 - Dépôts des platinoïdes non radioactifs sur les dépôts de platinoïdes radioactifs : 111.3 - Deposits of non-radioactive PGMs on deposits of radioactive PGMs:
Ces dépôts sont réalisés de la même manière que celle décrit au point lll.l ci-avant à ceci près que les électrodes utilisées sont des électrodes sur lesquelles ont été préalablement déposés des platinoïdes radioactifs comme décrit au point III.2 ci-avant. These deposits are made in the same way as that described in point III.1 above except that the electrodes used are electrodes on which radioactive platinoids have been previously deposited as described in point III.2 above.
Il 1.4 - Dépôts des platinoïdes non radioactifs à partir de la solution simulée enrichie en "Te : Ces dépôts sont réalisés sur des électrodes en CV de la même manière que celle décrite au point lll.l ci-avant mais en utilisant comme solution électrolytique, 50 mL d'une solution obtenue en ajoutant 15 mL d'un étalon de technétium-99 à 1 g/L à 35 mL de la solution simulée (soit une dilution de la solution simulée d'un facteur 0,7). II 1.4 - Deposits of non-radioactive PGMs from the simulated solution enriched in "Te: These deposits are made on CV electrodes in the same way as that described in point III.l above but using as electrolytic solution, 50 mL of a solution obtained by adding 15 mL of a standard of technetium-99 at 1 g/L to 35 mL of the simulated solution (ie a dilution of the simulated solution by a factor of 0.7).
Les 50 mL de solution ainsi obtenue ont une activité en "Te de 9,4.106 Bq (en considérant une activité massique du "Te de 6,283.108 Bq/g). The 50 mL of solution thus obtained have an activity in "Te of 9.4.10 6 Bq (considering a specific activity of "Te of 6.283.10 8 Bq/g).
IV - Évaluation des propriétés électrocatalytiques des dépôts par voltampéro- métrie linéaire : IV - Evaluation of the electrocatalytic properties of deposits by linear voltammetry:
Les propriétés électrocatalytiques des différents types de dépôts dans la réaction d'électro-oxydation de l'éthanol (CH3CH2OH) en éthanal (CH3CHO) sont appréciées par voltampérométrie linéaire en milieu alcalin (NaOH 1 M) en utilisant une cellule électrolytique qui comprend : The electrocatalytic properties of the different types of deposits in the electro-oxidation reaction of ethanol (CH3CH2OH) to ethanal (CH3CHO) are assessed by linear voltammetry in alkaline medium (1 M NaOH) using an electrolytic cell which includes:
- une cuve qui est la copie de celle utilisée au point lll.l ci-avant, - a tank which is a copy of the one used in point lll.l above,
- une électrode telle qu'obtenue aux points lll.l à III.4 ci-avant comme électrode de travail, - an electrode as obtained in points III.l to III.4 above as the working electrode,
- une électrode en CV identique à celle employée au point lll.l comme contre- électrode, et - a CV electrode identical to that used in point III.l as a counter-electrode, and
- une électrode Hg/HgO spécialement conçue pour être utilisée dans un milieu comprenant 1 mol/L de NaOH et commercialisée par la société BioLogic sous la référence A-013395 comme électrode référence ; son potentiel est de 0,14 V versus ENH et de -0,1 V versus ECS (électrode au calomel saturé). - an Hg/HgO electrode specially designed to be used in a medium comprising 1 mol/L of NaOH and marketed by the company BioLogic under the reference A-013395 as a reference electrode; its potential is 0.14 V versus ENH and -0.1 V versus ECS (saturated calomel electrode).
Le potentiostat est également un potentiostat BioLogic VSP-300. The potentiostat is also a BioLogic VSP-300 potentiostat.
La solution électrolytique est une solution de 50 mL comprenant 1 mol/L de NaOH et 0,278 mL d'éthanol à 95 %. The electrolyte solution is a 50 mL solution comprising 1 mol/L NaOH and 0.278 mL 95% ethanol.
Les figures 1 et 2 illustrent les résultats obtenus pour les différents types de dépôts en appliquant une polarisation dans la plage allant de -0,55 V versus Hg/HgO et 0,2 V versus Hg/HgO à une vitesse de balayage 20 mV/s. Figures 1 and 2 illustrate the results obtained for the different types of deposits by applying a bias in the range from -0.55 V versus Hg/HgO and 0.2 V versus Hg/HgO at a scan rate of 20 mV/ s.
Sur la figure 1 : In Figure 1:
- les courbes notées 1 correspondent aux courbes de polarisation obtenues pour les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes radioactifs, - les courbes notées 2 correspondent aux courbes de polarisation obtenues pour les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes non radioactifs obtenus à partir de la solution simulée sans ajout de "Te, tandis que - the curves denoted 1 correspond to the polarization curves obtained for the electrodes comprising a deposit of radioactive platinoids, - the curves denoted 2 correspond to the polarization curves obtained for the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution without adding "Te", while
- les courbes notées 3 correspondent aux courbes de polarisation obtenues pour les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes radioactifs recouvert d'un dépôt de platinoïdes non radioactifs. - the curves denoted 3 correspond to the polarization curves obtained for the electrodes comprising a deposit of radioactive PGMs covered with a deposit of non-radioactive PGMs.
Sur la figure 2, les courbes notées 4 correspondent aux courbes de polarisation obtenues pour les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes non radioactifs obtenu à partir de la solution simulée avec ajout de "Te et sont comparées aux courbes 1 et 2 de la figure 1. In Figure 2, the curves denoted 4 correspond to the polarization curves obtained for the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution with addition of "Te" and are compared with curves 1 and 2 of Figure 1.
Comme le montre la figure 1, les densités de courant obtenues pour les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes radioactifs (courbes 1) sont trois plus élevées que celles obtenues avec les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes non radioactifs (courbes 2). Ce qui signifie : As shown in FIG. 1, the current densities obtained for the electrodes comprising a deposit of radioactive PGMs (curves 1) are three times higher than those obtained with the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs (curves 2). Which means :
- d'une part, que l'activité électrocatalytique des dépôts de platinoïdes réalisés à partir de la solution réelle est trois fois plus élevée que celle des dépôts de platinoïdes réalisés à partir de la solution simulée et, - on the one hand, that the electrocatalytic activity of the platinoid deposits made from the real solution is three times higher than that of the platinoid deposits made from the simulated solution and,
- d'autre part, que la présence, sous les dépôts de platinoïdes radioactifs, d'un dépôt de platinoïdes non radioactifs n'est pas de nature à affecter les propriétés électrocatalytiques des dépôts de platinoïdes radioactifs car ces propriétés sont induites par la première couche atomique de catalyseur qui est située au contact de la solution électrolytique. - on the other hand, that the presence, under the deposits of radioactive PGMs, of a deposit of non-radioactive PGMs is not likely to affect the electrocatalytic properties of the deposits of radioactive PGMs because these properties are induced by the first layer atom of catalyst which is located in contact with the electrolytic solution.
Ce dernier point est confirmé par le fait que, comme le montre également la figure 1, le fait de recouvrir un dépôt de platinoïdes radioactifs par un dépôt de platinoïdes non radioactifs (courbes 3) conduit à des densités de courant et, donc, à une activité électrocatalytique, qui sont du même niveau que celles obtenues pour les dépôts de platinoïdes non radioactifs (courbes 2). This last point is confirmed by the fact that, as also shown in figure 1, the fact of covering a deposit of radioactive PGMs by a deposit of non-radioactive PGMs (curves 3) leads to current densities and, therefore, to a electrocatalytic activity, which are of the same level as those obtained for non-radioactive PGM deposits (curves 2).
La figure 2 montre que l'ajout d'un élément radioactif tel que le technétium-99 à hauteur de 0,3 g/L dans la solution simulée n'a pas d'impact significatif sur l'activité électrocatalytique des dépôts de platinoïdes non radioactifs obtenus à partir de cette solution. Figure 2 shows that the addition of a radioactive element such as technetium-99 at a level of 0.3 g/L in the simulated solution does not have a significant impact on the activity electrocatalytic non-radioactive PGM deposits obtained from this solution.
V - Évaluation de la surface active des dépôts par voltampérométrie cyclique : V - Evaluation of the active surface of deposits by cyclic voltammetry:
La surface active, ou surface réelle, des différents types de dépôts est appréciée par voltampérométrie cyclique en milieu alcalin (NaOH 1 M) en utilisant une cellule électrochimique similaire et le même potentiostat que ceux utilisés au point IV ci-avant. The active surface, or real surface, of the different types of deposits is assessed by cyclic voltammetry in an alkaline medium (1 M NaOH) using a similar electrochemical cell and the same potentiostat as those used in point IV above.
En effet, la surface active d'un dépôt de catalyseur est proportionnelle à la surface intégrale des courbes de polarisation (surface qui est homogène à une charge par unité de surface) sur la plage de potentiels allant de 0 à -0,4 V versus Hg/HgO dans le domaine cathodique. Indeed, the active surface of a catalyst deposit is proportional to the integral surface of the polarization curves (surface which is homogeneous with a charge per unit surface) over the range of potentials going from 0 to -0.4 V versus Hg/HgO in the cathode domain.
La figure 3 illustre les résultats obtenus. Figure 3 illustrates the results obtained.
Sur cette figure : In this figure:
- les courbes notées 1 correspondent aux voltampérogrammes obtenus pour les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes radioactifs, - the curves denoted 1 correspond to the voltammograms obtained for the electrodes comprising a deposit of radioactive platinoids,
- les courbes notées 2 correspondent aux voltampérogrammes obtenus pour les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes non radioactifs obtenus à partir de la solution simulée sans ajout de "Te, tandis que - the curves denoted 2 correspond to the voltammograms obtained for the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution without addition of "Te", while
- les courbes notées 3 correspondent aux voltampérogrammes obtenues pour les électrodes comprenant un dépôt de platinoïdes non radioactifs obtenu à partir de la solution simulée avec ajout de "Te. - the curves denoted 3 correspond to the voltammograms obtained for the electrodes comprising a deposit of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution with addition of "Te.
Comme le montre la figure 3, les dépôts de platinoïdes non radioactifs obtenus à partir de la solution simulée présentent une surface active qui est sensiblement la même que cette solution contienne ou non du "Te. As shown in Figure 3, the deposits of non-radioactive PGMs obtained from the simulated solution have an active surface which is substantially the same whether or not this solution contains "Te.
En revanche, cette surface active est nettement plus élevée que celle des dépôts de platinoïdes radioactifs obtenus à partir de la solution réelle. On the other hand, this active surface is clearly higher than that of the deposits of radioactive PGMs obtained from the real solution.
Ces résultats tendent à démontrer que l'activité électrocatalytique des dépôts de platinoïdes radioactifs obtenus à partir d'une solution aqueuse d'attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé n'est pas liée à l'étendue de la surface de ces dépôts mais bien à des propriétés propres à ces platinoïdes radioactifs. RÉFÉRENCES CITÉES These results tend to demonstrate that the electrocatalytic activity of radioactive PGM deposits obtained from an aqueous solution of acid attack of dissolving fines from spent nuclear fuel is not related to the extent of the surface of the these deposits but to properties specific to these radioactive platinoids. REFERENCES CITED
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Claims

Revendications Claims
1. Procédé de production d'hydrogène par reformage électrochimique d'un alcool, comprenant une électrolyse de l'alcool dans une cellule d'électrolyse comprenant une anode, un électrolyte et une cathode, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la surface externe de l'anode comprend un ou plusieurs platinoïdes radioactifs choisis parmi le palladium, le ruthénium et le rhodium, ce ou ces platinoïdes radioactifs étant issus d'une solution aqueuse acide contenant des produits de fission d'un combustible nucléaire usé. 1. Process for the production of hydrogen by electrochemical reforming of an alcohol, comprising electrolysis of the alcohol in an electrolysis cell comprising an anode, an electrolyte and a cathode, characterized in that at least part of the external surface of the anode comprises one or more radioactive platinoids chosen from palladium, ruthenium and rhodium, this or these radioactive platinoids being derived from an acidic aqueous solution containing fission products of a spent nuclear fuel.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la solution aqueuse acide contenant des produits de fission résulte d'une attaque acide de fines de dissolution d'un combustible nucléaire usé. 2. Process according to claim 1, in which the acidic aqueous solution containing fission products results from an acid attack of fines from the dissolution of a spent nuclear fuel.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la solution aqueuse contenant des produits de fission résulte d'une attaque de fines de dissolution d'un procédé PUREX par de l'acide nitrique ou un mélange d'acides comprenant de l'acide nitrique. 3. Process according to claim 2, in which the aqueous solution containing fission products results from an attack of dissolution fines from a PUREX process by nitric acid or a mixture of acids comprising nitric acid. .
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'anode comprend un support électroconducteur dont tout ou partie de la surface externe comprend un dépôt du ou des platinoïdes radioactifs. 4. Method according to any one of claims 1 to 3, wherein the anode comprises an electrically conductive support of which all or part of the external surface comprises a deposit of the radioactive platinoid(s).
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le dépôt résulte d'un électrodépôt ou d'une réduction chimique du ou des platinoïdes radioactifs en solution, de préférence d'un électrodépôt. 5. Process according to claim 4, in which the deposit results from an electrodeposition or from a chemical reduction of the radioactive PGM(s) in solution, preferably from an electrodeposition.
6. Procédé selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans lequel le support électroconducteur est en carbone, en acier inoxydable, en un métal ou un alliage métallique, en une céramique du type oxyde, nitrure ou carbonitrure, en un polymère, ou en un composite, de préférence en carbone et, mieux encore, en carbone vitreux. 6. Method according to claim 4 or claim 5, in which the electrically conductive support is made of carbon, stainless steel, a metal or a metal alloy, a ceramic of the oxide, nitride or carbonitride type, a polymer, or a composite, preferably carbon and more preferably glassy carbon.
7. Procédé selon la revendication 5 ou la revendication 6, dans lequel le dépôt comprend un mélange de palladium, de ruthénium et de rhodium. 7. Method according to claim 5 or claim 6, in which the deposit comprises a mixture of palladium, ruthenium and rhodium.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le palladium représente plus de 50 % massiques, de préférence au moins 70 % massiques et, mieux encore, au moins 80 % massiques de la masse du dépôt. 8. Process according to claim 7, in which the palladium represents more than 50% by mass, preferably at least 70% by mass and, even better, at least 80% by mass of the mass of the deposit.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel la surface externe du support électroconducteur comprend un dépôt d'un élément métallique non radioactif choisi le palladium, le tantale, le niobium, l'acier inoxydable, le chrome, le titane et le zirconium, sous le dépôt du ou des platinoïdes radioactifs. 9. A method according to any one of claims 5 to 8, wherein the outer surface of the electrically conductive support comprises a deposit of a non-radioactive metallic element chosen palladium, tantalum, niobium, stainless steel, chromium, titanium and zirconium, under the deposit of the radioactive platinoid(s).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la cellule d'électrolyse est une cellule d'électrolyse à compartiments séparés, de préférence par une membrane échangeuse de cations. 10. Process according to any one of claims 1 to 9, in which the electrolysis cell is an electrolysis cell with separate compartments, preferably by a cation exchange membrane.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel la cellule d'électrolyse est une cellule d'électrolyse à membrane échangeuse de protons. 11. Process according to claim 10, in which the electrolysis cell is a proton exchange membrane electrolysis cell.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l'électrolyse de l'alcool est réalisée en milieu alcalin. 12. Method according to any one of claims 1 to 11, in which the electrolysis of the alcohol is carried out in an alkaline medium.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel l'alcool est un alcool biosourcé. 13. Method according to any one of claims 1 to 12, in which the alcohol is a biobased alcohol.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'alcool biosourcé est de l'éthanol ou du glycérol. 14. Process according to claim 13, in which the biobased alcohol is ethanol or glycerol.
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