Les piles à combustible à hydrogène, qui génèrent de l’électricité propre, sont freinées par le coût élevé et la dégradation progressive de leurs catalyseurs à base de platine. L’environnement acide agressif à l’intérieur d’une pile à combustible provoque la dissolution et l’agglomération des nanoparticules de platine, entraînant une baisse continue de la puissance de sortie.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par les professeurs Lishan Peng et Qingjun Chen de l’Université des sciences et technologies de Chine a révélé comment une nouvelle couche protectrice Fe-N-C améliore considérablement la stabilité des catalyseurs à base de platine pour piles à combustible grâce à un effet électronique interfacial unique. Ils expliquent le rôle critique de l’hybridation orbitale 5d-3d/2p dans l’ancrage des atomes de platine et l’optimisation de l’activité catalytique.
Cette conception « cœur-coquille », nommée PtFe/C@Fe-N-C, fonctionne comme une armure microscopique. La coquille Fe-N-C protège physiquement le précieux cœur de platine des conditions corrosives. Plus important encore, elle crée une puissante interaction électronique à l’interface. Des analyses avancées ont confirmé une forte hybridation entre les orbitales du cœur de platine et celles du fer et de l’azote dans la coquille. Cette « hybridation orbitale 5d-3d/2p » optimise non seulement la surface du catalyseur pour la réaction clé de réduction de l’oxygène, mais rend également beaucoup plus difficile la dissolution des atomes de platine et de fer.
Les résultats en termes de performance sont transformateurs. Lors de tests en laboratoire, le catalyseur n’a montré qu’une perte d’activité négligeable après 30 000 cycles de vieillissement accéléré. Dans une pile à combustible H2-O2 pratique, il a atteint une densité de puissance de crête de 2,03 W cm-2 et une activité massique de 0,75 A mgPt-1. Fait crucial, après 30 000 cycles de fonctionnement, son activité n’a diminué que de 2,7 %. Cela surpasse largement un catalyseur commercial platine-carbone, qui a subi une dégradation de 54 %, et dépasse les objectifs d’activité et de durabilité fixés par le Département américain de l’Énergie pour 2025.
Ce travail offre une stratégie claire et efficace pour concevoir des catalyseurs de nouvelle génération. En prolongeant considérablement la durée de vie opérationnelle du catalyseur, cette innovation constitue une étape cruciale vers la réduction des coûts à long terme des piles à combustible, accélérant ainsi leur adoption pour les transports propres et la production d’électricité.
Article : Enhancing the stability of Pt/C catalysts for oxygen reduction reaction in PEMFCs via Fe-N-C-mediated 5d-3d/2p orbital hybridization – Journal : Chinese Journal of Catalysis – DOI : Lien vers l’étude
Source : Dalian I.
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