Et si le pigment bleu de votre encre ou de votre teinture pouvait contribuer à alimenter l’avenir de l’énergie propre ? Une étude récente a montré qu’il s’agit là d’une possibilité pour l’avenir.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Hiroshi Yabu, de l’Advanced Institute for Materials Research de l’université de Tohoku, et par le professeur Dario R. Dekel, du Technion (Israel Institute of Technology), en collaboration avec le professeur Yasutaka Matsuo, de l’université d’Hokkaido, et AZUL Energy, Inc., a développé des catalyseurs à base de pigment bleu supportés sur du carbone pour des piles à combustible à membrane échangeuse d’anions. En optimisant les structures moléculaires des pigments, l’équipe a atteint une densité de puissance supérieure à 900 milliwatts par centimètre carré, la meilleure performance rapportée à ce jour avec ces matériaux, le tout sans recourir au platine.
« Ce travail montre qu’une conception moléculaire minutieuse peut combler l’écart de performance entre les catalyseurs au platine et les catalyseurs sans platine », a déclaré Yabu. « En ajustant la structure de ces molécules de pigment bleu, nous avons pu renforcer l’interaction au niveau du site actif et la traduire en gains réels de performance pour la pile à combustible. »
Les cathodes de piles à combustible utilisent couramment des nanoparticules de platine supportées sur du carbone, car le platine catalyse efficacement la réaction de réduction de l’oxygène. Le platine est extrêmement coûteux et soumis à de nombreuses contraintes de ressources. Les piles à combustible à membrane échangeuse d’anions (AEMFC) fonctionnent dans des conditions alcalines modérées et peuvent plus facilement recourir à des catalyseurs sans platine. Les phtalocyanines métalliques, des pigments bleus construits autour d’un complexe métallique, sont des candidates peu coûteuses et structurellement modulables, mais les catalyseurs moléculaires précédents ont généralement offert une puissance insuffisante et une durabilité limitée dans des dispositifs AEMFC complets.
L’équipe a synthétisé deux tétra-azaphtalocyanines de fer dans lesquelles des hétérocycles contenant de l’azote remplacent les cycles benzéniques périphériques de la phtalocyanine de fer conventionnelle. La FeAzPc-4N supportée sur du noir de carbone conducteur Ketjen Black a été désignée AZ-FT-30, tandis que le matériau FeAzPc-8N8Me, plus riche en azote, a été désigné AZ-FO-30. La microscopie électronique et l’analyse élémentaire ont confirmé que les molécules contenant du fer étaient dispersées à l’échelle atomique et moléculaire sur le carbone, sans former de particules plus grandes.
Les deux catalyseurs présentant des aires de surface électrochimique quasi identiques (155,8 et 157,5 mètres carrés par gramme), les chercheurs ont pu attribuer la différence de performance principalement aux propriétés intrinsèques des molécules. Lors des tests AEMFC à 80 degrés Celsius, AZ-FT-30 a atteint une densité de puissance crête de 744 milliwatts par centimètre carré, tandis qu’AZ-FO-30 a atteint 902 milliwatts par centimètre carré.
Le manuscrit présente ce résultat comme la densité de puissance la plus élevée enregistrée pour une cathode AEMFC à base de phtalocyanine métallique. AZ-FO-30 a également fonctionné pendant 35 heures sous une charge constante élevée de 400 milliampères par centimètre carré, avec un taux de décroissance moyen de seulement 2,4 millivolts par heure.
Les calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité, réalisés par la professeure Maytal Caspary Toroker et son équipe au Technion, ont établi un lien entre l’amélioration des performances de la pile et la liaison de l’oxygène à l’échelle moléculaire. Pour l’OH adsorbé, la distance fer-oxygène diminuait dans l’ordre suivant : phtalocyanine de fer non modifiée, AZ-FT-30, puis AZ-FO-30. La distance la plus courte, observée dans AZ-FO-30, indique l’interaction la plus forte au niveau du site actif du fer parmi les trois. La même tendance s’est maintenue lorsqu’une molécule d’eau explicite était incluse dans le modèle, renforçant le lien entre conception moléculaire et activité observée expérimentalement.
Article : Advanced Metal-Phthalocyanine-based Catalysts with Enhanced Oxygen Reduction Reaction Activity for High-Performance Anion-Exchange Membrane Fuel Cells – Journal : ACS Catalysis – DOI : Lien vers l’étude
Source : Tohoku U
