Une pile à combustible à hydrogène moins chère à base de fer

Des chercheurs de l’Impériale ont mis au point une pile à combustible à hydrogène qui utilise du fer au lieu du platine rare et coûteux, permettant ainsi une plus grande utilisation de cette technologie.

Les piles à hydrogène convertissent l’hydrogène en électricité avec de la vapeur d’eau comme seul sous-produit, ce qui en fait une alternative verte attrayante pour l’énergie portable, en particulier pour les véhicules.

Toutefois, leur utilisation à grande échelle a été entravée en partie par le coût de l’un de leurs principaux composants. Pour faciliter la réaction qui produit l’électricité, les piles à combustible reposent sur un catalyseur à base de platine, qui est cher et rare.

Une équipe européenne dirigée par des chercheurs de l’Imperial College de Londres a créé un catalyseur utilisant uniquement du fer, du carbone et de l’azote – des matériaux bon marché et facilement disponibles – et a montré qu’il pouvait être utilisé pour faire fonctionner une pile à combustible à haute puissance. Leurs résultats sont publiés aujourd’hui dans Nature Catalysis.

Le chercheur principal, le professeur Anthony Kucernak, du département de chimie de l’Impériale, a déclaré : « Actuellement, environ 60% du coût d’une seule pile à combustible est constitué par le platine du catalyseur. Pour faire des piles à combustible une alternative viable aux véhicules à carburant fossile, par exemple, nous devons réduire ce coût.« 

« Notre conception d’un catalyseur plus économique devrait permettre d’atteindre cet objectif et de déployer beaucoup plus de systèmes d’énergie renouvelable utilisant l’hydrogène comme combustible, ce qui réduirait les émissions de gaz à effet de serre et mettrait le monde sur la voie des émissions nettes nulles.« 

L’innovation de l’équipe a consisté à produire un catalyseur où tout le fer est dispersé sous forme d’atomes uniques dans une matrice de carbone électriquement conductrice. Le fer monoatomique a des propriétés chimiques différentes de celles du fer en vrac, où tous les atomes sont regroupés, ce qui le rend plus réactif.

Grâce à ces propriétés, le fer stimule les réactions nécessaires dans la pile à combustible et constitue un bon substitut du platine. Lors de tests en laboratoire, l’équipe a montré qu’un catalyseur de fer à un seul atome avait des performances proches de celles des catalyseurs à base de platine dans un système de pile à combustible réel.

Outre la production d’un catalyseur moins cher pour les piles à combustible, la méthode mise au point par l’équipe pourrait être adaptée à d’autres catalyseurs pour d’autres processus, comme les réactions chimiques utilisant l’oxygène atmosphérique comme réactif au lieu d’oxydants chimiques coûteux, et dans le traitement des eaux usées utilisant l’air pour éliminer les contaminants nocifs.

Le premier auteur, le Dr Asad Mehmood, du département de chimie de l’Imperial, a déclaré : « Nous avons mis au point une nouvelle approche pour fabriquer une série de catalyseurs ‘à atome unique’ qui offrent la possibilité de permettre toute une série de nouveaux processus chimiques et électrochimiques. Plus précisément, nous avons utilisé une méthode de synthèse unique, appelée transmétallation, pour éviter la formation d’amas de fer pendant la synthèse. Ce procédé devrait être bénéfique pour d’autres scientifiques cherchant à préparer un type de catalyseur similaire« .

L’équipe a collaboré avec le fabricant britannique de catalyseurs pour piles à combustible, Johnson Matthey, afin de tester le catalyseur dans des systèmes appropriés et espère mettre à l’échelle son nouveau catalyseur afin qu’il puisse être utilisé dans des piles à combustible commerciales. Dans l’intervalle, ils s’efforcent d’améliorer la stabilité du catalyseur, afin qu’il soit aussi durable et performant que le platine.

Crédit image / Imperial College London