Nano

Feb 01, 2024

15 décembre 2022

par Particuliologie

Le platine, un métal précieux, est un catalyseur clé des réactions chimiques au cœur de la prochaine génération de piles à combustible à hydrogène plus compactes et plus performantes. Mais le coût élevé du platine empêche une adoption généralisée de cette technologie.

Les chercheurs ont cependant mis au point un alliage de platine et de cobalt à l’échelle nanométrique à utiliser comme catalyseur, réduisant considérablement la quantité de platine nécessaire pour obtenir des performances identiques, voire meilleures.

Une description de ce nouvel électrocatalyseur platine-cobalt et de la technique utilisée pour le produire a été publiée dans la revue Particuology le 15 décembre.

Les piles à combustible à hydrogène seront nécessaires dans la transition propre pour les secteurs de l’économie, en particulier les transports lourds, qui sont difficiles à électrifier à l’aide de la technologie des batteries. Malheureusement, la pile à combustible la plus couramment utilisée, la pile à combustible alcaline, reste assez volumineuse, limitant son application dans des secteurs tels que le transport maritime et l'aviation, où l'espace est limité.

La prochaine génération de piles à combustible, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC, parfois appelées pile à combustible à membrane électrolytique polymère), est beaucoup plus compacte.

Malheureusement, le principal catalyseur – des substances qui contribuent à accélérer les réactions chimiques – utilisé dans une réaction clé impliquée dans le PEMFCS (la réaction de réduction de l'oxygène, ou ORR) est le platine, un métal rare et donc coûteux. Le coût élevé du platine constitue déjà l’un des principaux obstacles à une adoption plus large du PEMFC. Selon les données du ministère américain de l'Énergie, les catalyseurs métalliques du groupe du platine utilisés dans les piles à combustible représentent actuellement plus de 40 % de leur coût. En effet, la moitié de la production mondiale de platine est utilisée par l’industrie automobile.

"Cela signifie que même si le coût élevé du platine limite l'adoption des piles à combustible dans les véhicules, si une adoption plus large se produisait, cela ne ferait qu'exacerber le problème car il y aurait une demande encore plus grande, et donc des prix plus élevés, pour ce métal rare", " a déclaré Zhonghua Xiang, auteur de l'article et électrochimiste à l'Université de technologie chimique de Pékin.

Ainsi, toute voie vers une adoption plus large de la technologie des piles à combustible implique nécessairement une certaine réduction de la quantité de platine requise, soit en le remplaçant par un autre matériau catalyseur, soit en réduisant la quantité de platine nécessaire sans compromettre les performances.

De nombreuses recherches se sont concentrées sur cette dernière approche. Les chercheurs se sont particulièrement concentrés sur l’alliage du platine avec du cobalt, diluant ainsi la quantité de platine nécessaire pour obtenir le même résultat. La raison en est que divers alliages platine-cobalt ont une « surface active » plus élevée, c'est-à-dire les espaces sur les molécules du catalyseur où les réactions chimiques pertinentes peuvent avoir lieu.

Cependant, affiner le degré d’alliage pour obtenir des performances ORR optimales reste un défi de taille.

Le professeur Xiang a donc synthétisé un précurseur platine-cobalt-carbone (le composé qui produit un deuxième composé, dans ce cas l'alliage platine-cobalt) en utilisant le diméthylamine borane (DMAB) comme agent réducteur (une substance qui donne des électrons à un autre un dans une réaction chimique). Ce précurseur a été chauffé à haute température dans un environnement d’hydrogène et d’argon afin de produire un alliage platine-cobalt comprenant trois atomes de platine pour chaque atome de cobalt sous forme de particules à l’échelle nanométrique.

La structure des électrons dans cet alliage platine-cobalt particulier permet une activité élevée sur la surface de la membrane des électrodes de la pile à combustible. En conséquence, les performances de la pile à combustible sont améliorées et une grande stabilité de la pile à combustible est obtenue. Ce dernier avantage a été démontré par une légère détérioration des performances après 10 000 cycles de pile à combustible. Des tests plus approfondis sur des piles à combustible uniques ont montré que leur approche dépassait considérablement les exigences des normes du Département américain de l'énergie.