Comprendre les catalyseurs de pile à combustible

Les catalyseurs sont indispensables pour notre futur approvisionnement énergétique. Par exemple, ils sont utilisés dans les piles à combustible qui peuvent alimenter les transports lourds et longue distance.  Des avancées continues dans les catalyseurs et une compréhension approfondie des électrocatalyseurs des piles à combustible sont essentielles pour rendre cette technologie plus pratique au quotidien.

Le Département de Science des Interfaces de l’Institut Fritz Haber a réalisé des progrès significatifs dans la compréhension des principes de fonctionnement des catalyseurs de piles à combustible dans des conditions industrielles pertinentes. Ces résultats sont essentiels pour faire progresser la technologie électrochimique et fournir une compréhension fondamentale des réactions électrocatalytiques multi-étapes.

Une cascade cinétique

L’étude, menée par le Dr Silva et Jody Druce dans le groupe dirigé par le Dr Öner au Département de Science des Interfaces sous la direction de la Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya, examine comment le surpotentiel électrique appliqué et la pression d’O₂ modifient la cinétique de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) de quatre catalyseurs différents dans un environnement de pile à combustible pratiquement pertinent. Ils ont découvert une cinétique très riche dépendante du surpotentiel, où l’activité catalytique n’est pas limitée par une seule étape déterminante, mais par différentes étapes à travers une interface catalyseur-solution qui elle-même subit des changements en fonction du surpotentiel.

Perspectives techniques

Le Dr Öner explique, « La vision traditionnelle dans la communauté est que les réactions multi-étapes peuvent être réduites à un intermédiaire déterminant la vitesse, ou en termes plus techniques, que le degré de contrôle de la vitesse de cette étape est égal à un. Cependant, nos résultats remettent en cause cette vision. »

Les chercheurs ont découvert que les étapes limitantes et leur degré de contrôle de la vitesse changent en fonction du surpotentiel et de la pression.

Le Dr Öner souligne que cette étude constitue une nouvelle façon de mener la recherche sur les électrocatalyseurs. « Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont souvent appliqué certains types d’analyses et de théories avec l’hypothèse sous-jacente d’une seule étape déterminante. Notre travail rompt avec cette tradition. Nous fournissons maintenant un cadre cinétique aux résultats de la spectroscopie et de la microscopie operando qui ont observé pendant des décennies des changements structurels et chimiques dépendants du biais. L’une des questions les plus centrales est de savoir comment les propriétés microscopiques dynamiques, dépendantes du surpotentiel et de la pression, donnent naissance aux propriétés d’ensemble qui définissent les paramètres d’activation. En tant que tel, nos résultats définissent un nouvel agenda pour la recherche future. »

Conclusion et orientations futures

La Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya montre l’importance de relier les changements chimiques et structurels dépendants du surpotentiel et de la pression à l’interface catalyseur-solution avec les paramètres d’activation. La recherche fait non seulement progresser notre compréhension de l’activité catalytique, mais promet également d’améliorer les technologies de conversion d’énergie. L’équipe s’engage à explorer davantage ces résultats afin d’apporter des connaissances fondamentales supplémentaires qui pourraient impacter les domaines de l’énergie, de la conversion chimique et des technologies associées.

Article : Pressure and bias dependence of the rate-limiting steps of the oxygen reduction reaction – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Fritz Haber Institute