La tourbe comme précurseur durable pour les matériaux catalyseurs de piles à combustible

Les catalyseurs fer-azote-carbone ont le potentiel de remplacer les catalyseurs au platine plus coûteux actuellement utilisés dans les piles à combustible. C’est ce que révèle une étude menée par des chercheurs du Centre Helmholtz de Berlin (HZB), de l’Institut fédéral allemand de physique et de métrologie (PTB) et des universités de Tartu et Tallinn en Estonie. À BESSY II, l’équipe a observé la formation de microstructures complexes dans divers échantillons. Ils ont ensuite analysé quels paramètres structurels étaient particulièrement importants pour favoriser les réactions électrochimiques préférées. La matière première pour de tels catalyseurs est de la tourbe bien décomposée.

Les piles à combustible convertissent l’énergie chimique de l’hydrogène directement en énergie électrique, ne produisant que de l’eau. Les piles à combustible pourraient constituer un élément important dans un système énergétique climatiquement neutre. Le plus grand potentiel d’amélioration réside dans la réduction des coûts via le remplacement des électrocatalyseurs, actuellement basés sur le métal précieux platine.

Un « nano-labyrinthe » pour les molécules

Les catalyseurs à base de carbone contenant du fer et de l’azote sont une option prometteuse à cet effet et peuvent être utilisés dans les piles à combustible à membrane échangeuse d’anions. Cette combinaison se trouve par exemple dans la tourbe estonienne bien décomposée. Les matériaux à base de carbone possèdent des propriétés remarquables, certains étant hautement poreux, avec des pores interconnectés de différentes tailles qui ressemblent aux galeries d’une fourmilière.

Les atomes d’hydrogène et d’oxygène peuvent migrer à travers ces passages jusqu’à atteindre les sites catalytiquement actifs où les réactions souhaitées peuvent réellement se produire. Le produit final, l’eau, est également évacué de cette manière. « En modifiant la structure hiérarchique du catalyseur, la taille et l’épaisseur des parois des pores, nous pouvons produire des matériaux aux propriétés très différentes« , affirme Rutha Jäger, premier auteur de l’étude de l’Université de Tartu.

À la recherche des meilleures structures

Eneli Härk, électrochimiste et spécialiste de la diffusion aux petits angles au HZB, expose la problématique de recherche comme suit : « Nous cherchions à comprendre pourquoi l’un des électrocatalyseurs Fe-N-C présentait une efficacité et une sélectivité exceptionnelles, avec des performances comparables au meilleur catalyseur sans métal noble, tandis que d’autres échantillons Fe-N-C ne performaient pas aussi bien. »

Grâce à la technique de diffusion des rayons X aux petits angles à BESSY II, ils ont étudié les caractéristiques structurelles clés : la porosité hiérarchique, le désordre structural et la distance d’interaction entre les centres actifs dans les pores. « La diffusion des rayons X aux petits angles fournit des informations détaillées et quantitatives sur la courbure des pores et le rapport entre la taille des pores et l’épaisseur des parois poreuses – des paramètres difficiles à mesurer directement par d’autres méthodes« , explique Eneli Härk.

Plutôt que de compter sur la méthode essai-erreur, l’équipe a conçu une étude systématique. Cinq échantillons ont été synthétisés simultanément, à différentes températures de synthèse de 800 à 1000°C, et en utilisant différents modificateurs de pores pour faire varier systématiquement la structure des pores et des parois poreuses. Ces échantillons, ainsi qu’un catalyseur commercial, ont été caractérisés à BESSY II en utilisant la diffusion anomale des rayons X aux petits angles (ASAXS) et la SAXS conventionnelle pour déterminer leur structure poreuse et la distribution des centres actifs.

Les matériaux ont ensuite été testés comme catalyseurs de réduction de l’oxygène pour corréler empiriquement les caractéristiques structurelles avec les performances électrochimiques. À partir des investigations aux rayons X, l’équipe a dérivé 13 paramètres structurels qui influencent la performance catalytique, incluant la porosité, le désordre et la courbure des pores. « La diffusion aux petits angles nous fournit une carte précise de la fourmilière, pour ainsi dire, tandis que le comportement électrochimique du catalyseur nous montre comment les « fourmis », c’est-à-dire les molécules, s’y déplacent« , précise Eneli Härk. Un résultat indique qu’avec une courbure de pore d’au moins trois nanomètres, la réduction de l’oxygène en eau fonctionne optimalement, et la formation de peroxyde d’hydrogène gênant est également minimisée.

Perspective – une voie pour réduire les coûts

« Nous savions comment les matériaux fonctionnent électrochimiquement en principe et que la porosité hiérarchique du matériau est importante, mais la raison pour laquelle l’un d’eux fonctionne mieux restait un mystère. Cependant, nous avons finalement pu découvrir les nuances structurelles qui favorisent la réaction« , déclare Rutha Jäger. Puisque le Fe-N-C peut être synthétisé à partir de tourbe bien décomposée, le matériau est véritablement respectueux de l’environnement. « Les gisements estoniens offrent une ressource prometteuse pour produire des matériaux fonctionnels high-tech« , ajoute Rutha Jäger.

Les résultats démontrent une voie viable de la tourbe aux piles à combustible fonctionnelles, permettant potentiellement de réduire les coûts du système et d’améliorer la durabilité.

Article : Small-Angle X-ray Scattering Monitoring of Porosity Evolution in Iron−Nitrogen−Carbon Electrocatalysts. – Journal : ACS Nano – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1021/acsnano.5c14955

Source : Helmholtz Berlin