Électrolyseurs et piles à combustible : les catalyseurs du futur arrivent

Dans un article récent publié dans la prestigieuse revue Nature Materials, des chercheurs ont réussi à mesurer directement la distribution du champ de déformation sur une nanoparticule unique de platine, considérée comme le catalyseur de référence pour la production et l’utilisation d’hydrogène vert.

Cette avancée majeure ouvre la voie au développement de catalyseurs plus performants et économiques en termes d’atomes, avec un impact considérable sur l’électrolyse de l’eau et les piles à combustible.

La catalyse consiste à rendre possible une réaction énergétiquement impossible ou en favoriser une plutôt qu’une autre. Omniprésente, depuis le développement des engrais ou l’élimination des gaz toxiques dans les pots d’échappement jusqu’au fonctionnement des piles à combustible, elle nécessite le développement de catalyseurs toujours plus performants et moins coûteux.

Les nanoparticules, qui offrent une très grande surface d’échange catalytiquement active, intéressent particulièrement les scientifiques. Cependant, il s’agit de matériaux complexes dont la surface est très éloignée de celle des matériaux monocristallins, ce qui rend la compréhension de leur activité catalytique difficile.

Dans le cadre d’une collaboration entre le Laboratoire d’électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (LEPMI, CNRS/Université de Grenoble Alpes/Université Savoie Mont Blanc), le CEA et l’ESRF, des scientifiques ont récemment mesuré la déformation du réseau cristallin et son évolution dans une nanoparticule de platine, le catalyseur de référence pour la production et l’utilisation d’hydrogène vert dans les électrolyseurs et les piles à combustible. La prouesse a consisté à imager en 3 dimensions la distribution du champ de déformation sur une nanoparticule unique en fonctionnement, c’est-à-dire sous potentiel électrochimique et dans un électrolyte liquide), une première.

Le suivi in situ de la structure et de la morphologie de nanocatalyseurs a été rendu possible grâce à la nouvelle source de rayons X extrêmement brillante de l’ESRF.

Contrairement à l’hypothèse souvent admise, les résultats indiquent que les déformations se répartissent de manière hétérogène à la surface d’une nanoparticule de platine et qu’elles se propagent dans son volume lorsque le potentiel électrochimique augmente. Ces observations expérimentales sont également soutenues par les résultats des simulations réalisées par le groupe de chercheurs. La vitesse d’une réaction électro-catalytique étant liée à la structure cristalline du métal considéré, c’est précisément cette hétérogénéité de distribution des déformations qui dicte la vitesse de réaction de chaque site catalytique. Ces résultats, à retrouver dans la revue Nature Materials, permettront de synthétiser la prochaine génération de catalyseurs avec une activité, une sélectivité et une durée de vie sur mesure.

Ce projet a reçu un financement du Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (accord de subvention n° 818823).

Illustration : Représentation artistique de l‘adsorption d’anions (bi)sulfate sur une nanoparticule de platine. © Clément Atlan & Corentin Chatelier

Référence
Imaging the strain evolution of a platinum nanoparticle under electrochemical control
Clement Atlan, Corentin Chatelier, Maxime Dupraz, Isaac Martens, Arnaud Viola, Ni Li, Lu Gao, Steven J. Leake, Tobias U. Schulli, Joel Eymery, Fredéric Maillard & Marie-Ingrid Richard
Nature Materials 2023