La recherche en matériaux avance constamment, offrant des perspectives nouvelles pour l’efficacité énergétique et la catalyse. Une collaboration internationale récente entre des chercheurs japonais, chinois et d’autres pays apporte une contribution significative dans ce domaine.
Des scientifiques de l’Université de Nagoya au Japon et de l’Université Normale de l’Est de la Chine ont mis au point une méthode de gravure chimique pour élargir les pores des cadres organométalliques (MOFs), potentiellement améliorant leur application dans les piles à combustible et en tant que catalyseurs.
Les MOFs, des matériaux aux applications variées
Les MOFs sont des matériaux poreux composés de grappes métalliques ou d’ions interconnectés par des groupes de liaison organiques à base de carbone. En variant les composants métalliques et organiques, une diversité de MOFs est générée, adaptée à une large gamme d’applications telles que la catalyse, la séparation chimique et le stockage de gaz.
Les MOFs présentent un potentiel évident pour catalyser les réactions chimiques à l’intérieur des piles à combustible, qui sont explorées comme base des systèmes d’énergie renouvelable. Les piles à combustible, n’utilisant pas de combustibles fossiles, pourraient jouer un rôle clé dans la transition vers une économie à faibles ou zéro émissions pour lutter contre le changement climatique.
Défis et solutions dans l’utilisation des MOFs
Yusuke Yamauchi de l’équipe de Nagoya explique : « Cependant, l’utilisation des MOFs a été problématique, car la couche de catalyseur est trop épaisse et leur structure poreuse est insuffisamment ouverte pour permettre le transfert nécessaire de produits chimiques. »
Cette méthode permet de créer des MOFs creux avec des structures poreuses ouvertes, améliorant la pénétration des réactifs et raccourcissant les chemins de diffusion de masse, ce qui est crucial pour les applications de catalyseur dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC).
Les chercheurs ont utilisé des mélanges chimiques pour graver une structure plus ouverte à travers un MOF. Après un cycle initial de gravure, l’intérieur du MOF est devenu plus poreux, ce qui a permis de charger des ions de fer essentiels pour la catalyse. Ces catalyseurs finaux, connus sous le nom de OP-Fe-NC, ont été obtenus en soumettant le MOF final à un traitement de calcination dans une atmosphère inerte.
Résultats prometteurs et perspectives futures
Wei Xia de l’Université Normale de l’Est de la Chine souligne : « Nos résultats prometteurs mettent en évidence le potentiel de OP-Fe-NC en tant qu’électrocatalyseur efficace pour divers dispositifs de stockage et de conversion d’énergie. »
L’utilisation de OP-Fe-NC en tant que catalyseur de cathode a démontré une activité exceptionnelle de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) et une excellente stabilité dans les milieux acides, surpassant même le catalyseur commercial Platine/Carbone.
Après avoir démontré le potentiel de leur méthode en principe, les chercheurs prévoient maintenant d’explorer comment d’autres modifications chimiques pourraient optimiser l’approche pour produire des matériaux adaptés à différentes situations réelles.
Yusuke Yamauchi conclut : « Nous avons l’intention de combler le fossé entre le travail expérimental et les applications pratiques, en espérant apporter une contribution réelle à la progression vers des solutions énergétiques durables. »
Article : « Selective Etching of Metal–Organic Frameworks for Open Porous Structures: Mass-Efficient Catalysts with Enhanced Oxygen Reduction Reaction for Fuel Cells » – DOI: 10.1021/jacs.3c05544
Légende illustration : Structure du MOF à pores ouverts décapé
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