L’ajout d’hydrogène aux catalyseurs fer-azote-carbone pourrait réduire considérablement les coûts des piles à combustible respectueuses de l’environnement
Dans une quête incessante pour rendre les piles à combustible plus abordables, des chercheurs ont peut-être trouvé une solution prometteuse. En ajoutant de l’hydrogène au processus de fabrication, ils ont créé un catalyseur robuste et efficace qui se rapproche des performances du platine. Cette trouvaille pourrait représenter une avancée significative pour la technologie des piles à combustible, potentiellement sans pollution et fournissant de l’électricité pour divers véhicules lourds.
La recherche d’alternatives au platine
Depuis des décennies, les chercheurs cherchent des catalyseurs à faible coût pour remplacer le platine et autres métaux coûteux dans les piles à combustible. Ils ont expérimenté différentes combinaisons de trois matériaux abondants et relativement bon marché : le fer, l’azote et le carbone.
Les résultats ont par contre été inégaux. Les chercheurs peuvent rendre le catalyseur fer-azote-carbone durable ou efficace, mais pas les deux.
Une nouvelle étude prometteuse
Une nouvelle étude dirigée par l’Université de Buffalo pourrait offrir une solution. Dans la revue Nature Catalysis, les chercheurs rapportent comment l’ajout d’hydrogène au processus de fabrication crée un catalyseur solide et efficace qui se rapproche des performances du platine.
Le professeur Gang Wu, auteur correspondant de l’étude, précise : « Pendant des années, la communauté scientifique a eu du mal à équilibrer ce compromis. Nous pouvons fabriquer des catalyseurs à faible coût qui sont efficaces mais se dégradent trop facilement. Ou nous les avons rendus très stables, mais leurs performances ne pouvaient pas égaler le platine. Avec ce travail, nous avons fait un pas vers la résolution de ce problème. »
Le processus de fabrication
Le travail s’appuie sur des recherches précédentes dirigées par Wu qui décrivaient des catalyseurs fer-azote-carbone qui, bien que durables, avaient du mal à accélérer les réactions chimiques importantes au sein des piles à combustible.
La nouvelle étude a abordé cette limitation lors d’un processus de fabrication appelé pyrolyse, qui implique l’utilisation de températures extrêmement élevées pour combiner des matériaux. Pendant la pyrolyse, les chercheurs ont lié quatre atomes d’azote au fer dans une chambre à haute température. Ils ont ensuite intégré ce matériau dans quelques couches de graphène, une forme de carbone résistante, légère et flexible.
Normalement, ce processus se déroule dans une chambre contenant un gaz inerte, comme l’argon. Cependant, cette fois, les chercheurs ont introduit de l’hydrogène dans la chambre pour créer un mélange de 90% d’argon et 10% d’hydrogène.
Résultats et implications
En conséquence, les chercheurs ont pu contrôler plus précisément la composition du catalyseur. Plus précisément, ils ont pu placer deux composés différents de fer-azote-carbone (l’un contenant 10 atomes de carbone, l’autre 12 atomes de carbone) dans des positions qui favorisent la durabilité et l’efficacité.
Le catalyseur résultant a atteint une performance initiale de pile à combustible bien au-delà de l’objectif du Département de l’Énergie pour 2025. Il s’est également avéré plus durable que la plupart des catalyseurs fer-azote-carbone, se rapprochant d’une cathode à faible teneur en platine typiquement utilisée pour les piles à combustible.
En synthèse
Cette étude représente une avancée significative dans la recherche de catalyseurs à faible coût pour les piles à combustible. L’ajout d’hydrogène au processus de fabrication a permis de créer un catalyseur fer-azote-carbone robuste et efficace qui se rapproche des performances du platine.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un catalyseur fer-azote-carbone ?
Un catalyseur fer-azote-carbone est une combinaison de ces trois éléments utilisée pour accélérer les réactions chimiques dans les piles à combustible. Il est considéré comme une alternative potentielle aux catalyseurs à base de platine, qui sont coûteux.
Qu’est-ce que la pyrolyse ?
La pyrolyse est un processus de fabrication qui implique l’utilisation de températures extrêmement élevées pour combiner des matériaux. Dans cette étude, elle a été utilisée pour lier des atomes d’azote au fer et intégrer ce matériau dans des couches de graphène.
Quel est le rôle de l’hydrogène dans cette étude ?
L’hydrogène a été ajouté au processus de pyrolyse pour aider à contrôler plus précisément la composition du catalyseur. Cela a permis de placer deux composés différents de fer-azote-carbone dans des positions qui favorisent la durabilité et l’efficacité.
Quels sont les avantages du nouveau catalyseur ?
Le nouveau catalyseur a démontré une performance initiale de pile à combustible bien au-delà de l’objectif du Département de l’Énergie pour 2025. Il s’est également avéré plus durable que la plupart des catalyseurs fer-azote-carbone, se rapprochant d’une cathode à faible teneur en platine typiquement utilisée pour les piles à combustible.
Quelles sont les implications de cette étude ?
Cette étude pourrait avoir des implications majeures pour l’avenir de la technologie des piles à combustible, en rendant cette source d’énergie plus abordable et plus durable.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| L’ajout d’hydrogène au processus de fabrication crée un catalyseur solide et efficace. |
| Le nouveau catalyseur se rapproche des performances du platine. |
| Le catalyseur a démontré une performance initiale de pile à combustible bien au-delà de l’objectif du Département de l’Énergie pour 2025. |
| Le catalyseur est plus durable que la plupart des catalyseurs fer-azote-carbone. |
| L’étude pourrait avoir des implications majeures pour l’avenir de la technologie des piles à combustible. |
| Le processus de pyrolyse a été utilisé pour lier des atomes d’azote au fer et intégrer ce matériau dans des couches de graphène. |
| L’hydrogène a été ajouté au processus de pyrolyse pour aider à contrôler plus précisément la composition du catalyseur. |
| Deux composés différents de fer-azote-carbone ont été placés dans des positions qui favorisent la durabilité et l’efficacité. |
Références
Légende illustration principale : Gang Wu, au premier plan, s’efforce de réduire les coûts associés à la production de piles à combustible respectueuses de l’environnement. Photo : Douglas Levere, Université de Buffalo : Douglas Levere, Université de Buffalo.
University at Buffalo-led study, Nature Catalysis
Article : « Tuning the thermal activation atmosphere breaks the activity–stability trade-off of Fe–N–C oxygen reduction fuel cell catalysts » – DOI: 10.1038/s41929-023-01062-8
