Des chercheurs de l’Université de Nagoya, au Japon, ont mis au point un catalyseur de pile à combustible durable en enveloppant des nanoparticules de platine dans du graphène contenant de l’azote et en les déposant sur des nanotubes de carbone. Cette conception a conservé 96,9 % de sa surface active après 30 000 cycles de durabilité, ouvrant la perspective de piles à combustible à plus longue durée de vie et à moindre besoin en platine.
Les piles à combustible convertissent directement l’énergie chimique de l’hydrogène en électricité. L’hydrogène est alimenté d’un côté de la pile, où il se sépare en protons et en électrons. Les électrons circulent dans un circuit externe pour fournir de l’énergie, tandis que les protons traversent une membrane. De l’autre côté, ils se recombinent avec les électrons et l’oxygène de l’air, produisant de l’eau.
L’eau est ici le seul sous-produit ; aucun dioxyde de carbone n’est émis à aucun moment de ce processus. Cela fait des piles à combustible des sources d’énergie propre prometteuses, utilisables pour alimenter des véhicules et d’autres applications. Les piles à combustible sont particulièrement utiles pour les véhicules lourds et les transports en commun, car ces derniers nécessiteraient des batteries de véhicules électriques conventionnelles beaucoup plus volumineuses.
Cependant, un usage commercial plus large des piles à combustible est limité par le coût. La réaction entre l’oxygène, les protons et les électrons est lente. Pour l’accélérer, on utilise comme catalyseur du platine, un métal précieux rare et coûteux.
Pour réduire les coûts, la recherche sur la technologie des catalyseurs de piles à combustible cible actuellement deux fronts : l’amélioration de leurs performances et de leur durabilité. « La durabilité est un problème crucial, en particulier pour une utilisation dans les véhicules lourds », a déclaré Miftakhul Huda, maître de conférences désigné travaillant au sein du Matsuo Lab du département de génie des systèmes chimiques de l’Université de Nagoya et chercheur principal de cette étude aux côtés du professeur Yutaka Matsuo. « Dans ce travail, nous avons amélioré la durabilité à la fois du platine et de son support en carbone dans les piles à combustible », a-t-il ajouté.
L’enveloppe protectrice du platine : une découverte fortuite
Le platine fonctionne en offrant des sites actifs qui retiennent les molécules d’oxygène, aident à les briser et permettent de les combiner rapidement avec les protons et les électrons pour former de l’eau. Réduire les particules de platine à l’échelle nanométrique expose davantage de surface pour cette réaction, permettant à une plus petite quantité de platine d’accomplir davantage de travail.
Les électrocatalyseurs actuellement disponibles sur le marché sont généralement constitués de nanoparticules de platine nues supportées sur des matériaux de carbone amorphe. Mais ces nanoparticules ont tendance à s’agglomérer en particules plus grosses pendant le fonctionnement, dégradant lentement les performances au fil du temps. Par ailleurs, les supports en carbone conventionnels peuvent toujours se corroder lors des changements de tension répétés que subit un système à pile à combustible quand il démarre et s’arrête.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont encapsulé chaque nanoparticule de platine dans une coque de graphène. En principe, les nanoparticules encapsulées ne font pas de très bons catalyseurs, car elles offrent moins de sites actifs où la réaction peut se produire. Mais en dopant la coque de graphène à l’azote, les chercheurs ont constaté que le nombre de sites actifs dépassait en réalité leurs estimations théoriques. L’azote de la coque interagissait avec le platine. Cela a modifié la façon dont le métal gérait les molécules contenant de l’oxygène, aidant la réaction à se dérouler plus efficacement plutôt que de simplement protéger le platine de son environnement.
Ensuite, il leur fallait un support sur lequel déposer les particules ; Matsuo, Huda et leur équipe ont obtenu des nanotubes de carbone monoparoi résistants à la corrosion auprès de Meijo Nano Carbon Co., Ltd., une société basée à Nagoya, au Japon. Mais quelque chose d’étrange s’est produit lorsqu’ils ont tenté de fixer les nanoparticules de platine dessus : ils ont réalisé qu’aucun agent de liaison n’était nécessaire !
« C’était en réalité très fortuit : nous avons simplement décidé d’essayer de déposer directement le platine encapsulé dans le graphène, et il s’est bien fixé », a raconté Huda à propos de cette découverte, pour laquelle il attribue à sa formation en génie des matériaux le fait de ne pas avoir suivi l’approche chimique conventionnelle consistant à toujours utiliser un intermédiaire pour former des liaisons métal-carbone.
Le nouveau catalyseur, nommé « Pt@N-FLG/SWCNT », pour électrocatalyseur de platine encapsulé dans une coque de graphène à quelques couches dopée à l’azote et supporté par des nanotubes de carbone monoparoi, a fait l’objet d’une publication dans la revue ACS Catalysis.
Conçu pour durer
Dans les mesures effectuées en laboratoire, le Pt@N-FLG/SWCNT a offert 96,3 mètres carrés de surface de platine active par gramme, contre 60,6 mètres carrés pour un catalyseur commercial.
L’équipe a ensuite assemblé le catalyseur dans une pile à combustible fonctionnelle et l’a soumis à des cycles de tension répétés destinés à accélérer le vieillissement. Après 30 000 cycles, il n’avait perdu que 3,1 % de sa surface de platine active, et sa tension avait chuté de 22,8 millivolts. En outre, aucune perte de tension n’a été observée à 1,5 ampère après 5 000 cycles rigoureux en onde triangulaire à haute tension visant à simuler la corrosion du carbone. Ces deux résultats dépassent les objectifs 2025 fixés pour les électrocatalyseurs par le Département de l’Énergie des États-Unis.
Des images complémentaires ont suggéré que les nanotubes limitaient les déplacements du platine. Au lieu de former les gros amas que l’on observe habituellement dans les catalyseurs vieillis, les particules se sont alignées en structures filiformes semblables à des fils, ce qui pourrait aider à préserver une surface utile.
Ayant atteint le niveau de durabilité recherché, le Matsuo Lab souhaite désormais s’attaquer au problème de l’efficacité. « Nous ne voulons pas seulement augmenter les performances, mais aussi diminuer la quantité de platine nécessaire dans les piles à combustible afin de passer à plus grande échelle », a déclaré Huda.
Article : Pt–N Interactions and Nitrogen-Doped Graphene-Shell Encapsulation in Platinum Electrocatalysts Supported by SWCNTs for Enhanced ORR Activity and Durability – Journal : ACS Catalysis – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Nagoya U.
