Le traitement par plasma améliore le matériau d’électrode pour les piles à combustible

Les chercheurs de Skoltech et leurs collègues ont réussi à améliorer les propriétés d’un matériau d’électrode à base de carbone en l’exposant à un plasma d’air. Ce traitement s’est avéré capable d’améliorer les performances de l’électrode, qui est le facteur limitant pour les sources d’énergie de haute technologie, en particulier les piles à combustible.

Les piles à combustible représentent une alternative intéressante pour rendre la combustion du gaz naturel plus propre. Contrairement à une combustion classique, ces dispositifs oxydent le combustible d’une manière différente, plus respectueuse de l’environnement. Ce processus permet de produire davantage d’énergie utile, moins de gaz à effet de serre et n’émet pas de polluants tels que les oxydes d’azote, le dioxyde de soufre et les particules d’aérosol.

Les piles à combustible sont utilisées pour alimenter des installations industrielles et des habitations, en particulier dans les zones reculées hors réseau et là où une alimentation de secours est nécessaire. Elles trouvent également des applications dans la production d’électricité pour les sondes spatiales, les sous-marins, les chariots industriels fonctionnant dans des espaces réfrigérés, ainsi que pour des véhicules plus conventionnels tels que les voitures, les bus, les trains et les bateaux. Les principaux avantages de cette technologie sont son efficacité, sa résilience et sa durabilité.

Les défis des piles à combustible

Les plus grands défis consistent à faire face à la température de fonctionnement élevée des piles à combustible et à perfectionner les matériaux avancés utilisés dans leurs trois principaux composants : les électrodes positive et négative, et la couche d’électrolyte en céramique entre elles, qui facilite la réaction chimique produisant l’énergie utile. Auparavant, des chercheurs de Skoltech avaient fabriqué un composant électrolytique de forme complexe pour les piles à combustible à oxyde solide. La nouvelle étude s’attache à améliorer l’un des matériaux courants des anodes.

Stanislav Evlashin, professeur assistant à Skoltech Materials et auteur principal de l’étude, explique : « Les anodes des piles à combustible à oxyde solide sont fabriquées à partir de diverses formes de carbone, et l’activité catalytique de ces matériaux limite la vitesse de la réaction dans la cellule qui fournit l’énergie. Nous cherchons des moyens d’augmenter l’activité catalytique en incorporant des atomes étrangers, appelés défauts, dans l’électrode de carbone. C’est ce qu’on appelle l’ingénierie des défauts. »

Une approche économique et pratique pour améliorer les électrodes

Pour modifier le matériau de l’électrode, l’équipe l’a soumis à une décharge de courant continu formant un plasma dans une chambre remplie alternativement d’azote pur, d’oxygène pur et d’air ordinaire. Ce dernier s’est avéré être le plus performant, ce qui est une bonne nouvelle car les gaz purs sont évidemment plus coûteux.

En général, cette approche d’ingénierie des défauts est plus économique que les alternatives existantes : le carbone dopé à l’oxyde de ruthénium ou au platine. Cette nouvelle technique est également pratique car les inclusions d’oxygène et d’azote peuvent être introduites pendant la fabrication du matériau d’origine, sans nécessiter d’étape de post-traitement supplémentaire, ce qui est nécessaire pour le dopage à l’oxyde de ruthénium et au platine.

En ce qui concerne l’effet sur l’activité catalytique, le traitement au plasma a suffisamment amélioré les propriétés du matériau pour que les électrodes qui en sont faites se rapprochent de celles utilisant des métaux nobles.

Vers une production contrôlée de matériaux optimisés pour les PAC

Les résultats montrent que l’approche d’ingénierie des défauts peut améliorer significativement les caractéristiques électrochimiques du matériau sans incorporer de matériaux supplémentaires ni d’étapes de production. Une fois que les chercheurs auront appris à insérer des défauts de manière contrôlée pendant le processus de synthèse des matériaux, ceux-ci pourront être immédiatement utilisés dans la fabrication de sources de courant.

Cette étude représente une avancée importante vers l’optimisation des piles à combustible, une technologie clé pour une production d’énergie plus propre et plus efficace. En améliorant les performances des électrodes grâce à l’ingénierie des défauts, les chercheurs ouvrent la voie à des dispositifs plus performants et plus durables, capables de relever les défis énergétiques de demain.

Légende illustration : Impression de l’IA générative Midjourney sur les impuretés hébergées par une structure composée d’atomes de carbone. Crédit : Midjourney, à l’initiative de Skoltech PR

S.A. Evlashin et al, Influence of plasma treatment on the oxygen reduction reaction performance of graphene-based materials, Journal of Electroanalytical Chemistry (2024). DOI: 10.1016/j.jelechem.2024.118091