Une nouvelle technologie de conception de catalyseurs pour améliorer les performances des batteries et des piles à hydrogène

Des chercheurs coréens ont développé une nouvelle technologie de conception de catalyseurs qui peut améliorer les performances des batteries et des piles à hydrogène tout en réduisant les pertes d’énergie.

KAIST a annoncé le 1er juin qu’une équipe de recherche dirigée par le professeur Seung Jun Hwang du département de chimie, en collaboration avec l’équipe du professeur Jaeyune Ryu du département de génie chimique et biologique de l’université nationale de Séoul, a proposé une nouvelle stratégie de conception de catalyseurs capable d’améliorer l’efficacité des réactions clés qui génèrent de l’électricité à l’intérieur des batteries et des piles à combustible.

Un catalyseur est un matériau qui permet aux réactions chimiques de se produire plus rapidement et plus efficacement. Dans les batteries ou les piles à combustible, il joue un rôle en facilitant les réactions qui génèrent de l’électricité. Les catalyseurs se composent généralement d’un métal central et d’une structure moléculaire qui l’entoure.

Dans les études précédentes, les méthodes consistaient principalement à modifier le type de métal, du fer (Fe) au cobalt (Co) ou au nickel (Ni), ou à concevoir une nouvelle structure moléculaire autour du métal, appelée ligand, pour améliorer les performances de la réaction. En termes simples, cette approche modifie le matériau ou la forme du catalyseur lui-même pour le faire réagir mieux. En revanche, cette étude se différencie en montrant que les performances peuvent être améliorées simplement en ajustant l’environnement électrique autour du catalyseur, sans modifier considérablement le catalyseur lui-même.

Pour utiliser une analogie simple, cette étude peut être comparée au fait de « mieux cuisiner en ajustant l’environnement de la cuisine plutôt qu’en changeant l’outil de cuisson lui-même ». Les recherches précédentes sur les catalyseurs étaient plus proches du changement du matériau d’une poêle à frire ou de la refonte de sa forme. En revanche, cette étude garde la poêle identique et ajuste précisément la température et le flux d’air environnants pour que les aliments cuisent mieux. En d’autres termes, le cœur de cette recherche est que l’équipe a rendu la réaction plus efficace en ajustant l’environnement électrique autour du catalyseur, plutôt qu’en créant un catalyseur entièrement nouveau.

L’équipe de recherche a confirmé que le placement de « cations (+) » autour du catalyseur pour créer un très petit champ électrique peut induire la réaction nécessaire à la production d’électricité de manière plus stable. En particulier, la proportion de la réaction souhaitée est passée d’environ 12 % à 52 %.

Grâce à cela, l’équipe de recherche a confirmé que la réaction souhaitée peut être induite efficacement avec moins d’énergie qu’auparavant. Cela devrait contribuer à améliorer l’efficacité, la durée de vie et la stabilité des batteries et des piles à hydrogène.

La réaction de réduction de l’oxygène (ORR, une réaction clé dans laquelle l’oxygène reçoit des électrons pour générer de l’électricité) examinée dans cette étude est une réaction centrale qui génère de l’électricité dans les dispositifs énergétiques de nouvelle génération, tels que les piles à combustible pour véhicules à hydrogène (une pile à combustible est un dispositif qui produit de l’électricité par une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène) et les batteries métal-air (une batterie métal-air est une batterie de nouvelle génération qui stocke et produit de l’électricité en utilisant un métal et l’oxygène de l’air).

L’équipe de recherche estime également que ce principe peut être appliqué aux technologies de catalyseurs qui convertissent le dioxyde de carbone (CO₂) ou l’hydrogène en d’autres substances utiles, et qu’il peut donc être utilisé dans le développement de divers catalyseurs énergétiques de nouvelle génération, notamment les technologies de réduction du dioxyde de carbone et les technologies de production d’hydrogène respectueuses de l’environnement.

Le professeur Seung Jun Hwang a déclaré : « Cette étude démontre que les propriétés de réaction peuvent être contrôlées précisément uniquement par l’environnement électrique environnant, sans modifier la structure du catalyseur lui-même », ajoutant : « Nous espérons qu’elle présentera une nouvelle direction pour le développement de batteries de nouvelle génération, de piles à combustible et de technologies de catalyseurs énergétiques respectueux de l’environnement ».

Article : Localized Cation Unlocks Unique Activity–Selectivity Trends in Molecular Oxygen Reduction Catalysis – Journal : Journal of the American Chemical Society – DOI : Lien vers l’étude

Source : KAIST