Des chercheurs sud-coréens ont mis au point un nanocatalyseur à base de platine, cobalt et manganèse dont les performances dépassent largement les normes américaines pour 2025. L’avancée, publiée dans Advanced Materials, pourrait accélérer le développement de véhicules à pile à combustible commercialement viables en surmontant deux obstacles majeurs : le coût des catalyseurs et leur dégradation dans le temps.
Dans les laboratoires de l’Université Sungkyunkwan, une équipe dirigée par le professeur Sang Uck Lee vient d’accomplir une percée qui pourrait modifier l’équation économique des piles à combustible à hydrogène. Leur nanocatalyseur ternaire, composé de platine, de cobalt et de manganèse, affiche des performances qui laissent entrevoir une réduction significative des coûts et une amélioration de la longévité de ces systèmes énergétiques.
Surmonter les obstacles historiques
Les piles à combustible à hydrogène, qui génèrent de l’électricité par réaction électrochimique entre l’hydrogène et l’oxygène, se heurtent depuis leur conception à deux limitations fondamentales. La réaction de réduction de l’oxygène à la cathode demeure trop lente, tandis que les catalyseurs à base de platine subissent une dégradation progressive au fil des cycles de fonctionnement. Les catalyseurs intermétalliques conventionnels, bien que structurellement stables, résistent aux ajustements à l’échelle atomique, ce qui complique l’optimisation simultanée de leur activité et de leur durée de vie.
L’innovation coréenne, fruit d’une collaboration entre l’Université Sungkyunkwan, l’Université de Corée et l’Institut coréen des sciences et de la technologie, repose sur une approche synthétique originale. Les chercheurs ont exploité les lacunes d’oxygène qui apparaissent naturellement à l’interface entre le catalyseur et son support d’oxyde. Ces défauts structuraux ont servi de guide pour l’ordonnancement atomique, permettant la formation d’une structure intermétallique ternaire Pt3(Co,Mn)1 dont la synthèse s’était avérée particulièrement complexe jusqu’à présent.
Des performances qui changent la donne
Les tests électrochimiques réalisés sur ce nouveau matériau ont produit des résultats qui dépassent les attentes les plus optimistes. L’activité massique du nanocatalyseur excède celle des catalyseurs commerciaux Pt/C d’un facteur supérieur à dix. Mais c’est sa durabilité qui impressionne le plus : après 150 000 cycles de tests accélérés simulant un vieillissement accéléré, le matériau conserve plus de 96 % de ses performances catalytiques initiales.
Dans les essais en conditions réelles, utilisant des assemblages membrane-électrodes, le catalyseur a non seulement surpassé les objectifs fixés par le ministère américain de l’Énergie pour 2025, mais il a également maintenu une puissance de sortie supérieure à celle des catalyseurs conventionnels, même sous des charges élevées. Ces données suggèrent que le matériau pourrait fonctionner efficacement dans les conditions exigeantes des véhicules électriques à hydrogène.
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Une compréhension théorique renouvelée
Au-delà de la performance pratique, la recherche apporte une contribution théorique substantielle. L’équipe a développé un nouveau cadre conceptuel pour expliquer le mécanisme de synthèse interfaciale au stade du précurseur. « Nous avons démontré que les lacunes d’oxygène formées précocement à l’interface catalyseur-support jouent un rôle déterminant dans l’ordonnancement des atomes de manganèse », explique le professeur Lee. Ce modèle à l’échelle atomique ouvre des perspectives pour la conception rationnelle de futurs catalyseurs, permettant d’anticiper et de contrôler leur structure finale.
Perspectives industrielles
Les implications de la découverte s’étendent à plusieurs secteurs de l’énergie propre. Pour les véhicules électriques à hydrogène, où le coût des catalyseurs représente une part substantielle du prix final, cette avancée pourrait contribuer à réduire l’écart de compétitivité avec les véhicules électriques à batterie. Dans le domaine des systèmes stationnaires de piles à combustible, utilisés pour la production d’électricité décentralisée ou le stockage d’énergie, l’amélioration de la longévité des catalyseurs se traduirait par une diminution des coûts de maintenance et une augmentation de la fiabilité.
L’Université Sungkyunkwan souligne dans un communiqué que ces travaux représentent « une étape vers des véhicules à hydrogène à haut rendement plus proches de la commercialisation ». Si la transition vers une économie de l’hydrogène nécessite encore des avancées dans la production, le stockage et la distribution de ce vecteur énergétique, les progrès réalisés sur les catalyseurs constituent un maillon essentiel à la chaîne de valeur. La capacité à produire des matériaux plus actifs, plus durables et potentiellement moins coûteux pourrait accélérer l’adoption des technologies à hydrogène dans les transports et l’industrie.
Article : « Tailoring Interfacial Oxygen Vacancy-Mediated Ordering in Ternary Pt3(Co,Mn)1 Intermetallic Nanoparticles for Enhanced Oxygen Reduction Reaction » – DOI : 10.1002/adma.202521036
