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Piles à combustible à l'éthanol efficaces
Les piles à combustible portables alimentées directement à l'éthanol pourraient bientôt être pratiques, grâce à un nouveau catalyseur qui rompt une liaison solide au cœur des molécules d'éthanol, libérant des électrons et générant de l'électricité. De telles piles à combustible pourraient remplacer les batteries des ordinateurs portables et des téléphones portables, et pourraient éventuellement être utilisées pour alimenter les véhicules électriques.
Nano puissance : Les nanoparticules d'oxyde d'étain (ci-dessus) forment la base d'un nouveau catalyseur pour les piles à combustible à l'éthanol.
Les piles à combustible à l'éthanol pourraient être beaucoup plus efficaces que les moteurs à éthanol conventionnels. Elles pourraient également être plus pratiques que les piles à combustible à hydrogène, car l'éthanol est plus facile à stocker et à transporter que l'hydrogène. Mais les chercheurs n'avaient pas été en mesure de créer un bon catalyseur pour oxyder l'éthanol afin de rendre de telles piles à combustible possibles.
Les catalyseurs précédents convertissaient l'éthanol en acide acétique et en acétaldéhyde, un processus qui ne libère que quelques électrons par molécule d'éthanol, générant ainsi de faibles courants. Décomposer davantage les molécules d'éthanol pour produire du dioxyde de carbone libérerait beaucoup plus d'électrons (un total de 12 par molécule d'éthanol) et générerait des courants plus élevés, mais cela nécessiterait de rompre une liaison solide entre deux atomes de carbone. Pour rompre ce lien, les chercheurs ont dû appliquer des tensions élevées, rendant le processus inefficace : presque toute la tension produite par l'oxydation de l'éthanol a été utilisée pour maintenir la réaction, réduisant la puissance nette de sortie à un filet, explique Manos Mavrikakis, professeur de chimie et génie biologique à l'Université du Wisconsin-Madison.
Le nouveau catalyseur, développé par des chercheurs du Brookhaven National Laboratory, rompt les liaisons carbone sans haute tension, libérant efficacement suffisamment d'électrons pour produire des courants électriques 100 fois supérieurs à ceux produits avec d'autres catalyseurs. La prochaine étape consiste à incorporer le catalyseur dans une pile à combustible, afin que ses performances puissent être comparées à celles d'autres catalyseurs dans les piles à combustible, explique Brian Pivovar, scientifique au National Renewable Energy Laboratory, à Golden, CO, qui n'était pas impliqués dans la recherche.
Lors des tests initiaux à l'extérieur d'une pile à combustible, le catalyseur a produit efficacement des courants de 7,5 milliampères par centimètre carré. Radoslav Adzic , le chimiste principal du Brookhaven National Laboratory qui a dirigé les travaux, dit qu'il est presque certain que le catalyseur, une fois intégré dans une pile à combustible, produira des courants électriques de l'ordre de centaines de milliampères par centimètre carré. Pivovar dit que cette estimation semble raisonnable. Ce niveau de courant, multiplié par la tension prévue produite par la pile, placerait les piles à combustible à l'éthanol dans la même plage que les piles à combustible alimentées au méthanol, produisant suffisamment de puissance pour l'électronique portable. L'éthanol est préférable au méthanol à plusieurs égards : il stocke plus d'énergie, est moins toxique et est plus facile à fabriquer à partir de sources renouvelables. Pour alimenter les véhicules et rivaliser avec les performances des piles à combustible à hydrogène, le catalyseur et la pile à combustible devraient être améliorés. Les courants devraient être bien supérieurs à 1 000 milliampères par centimètre carré, dit Andy Hareng , professeur de génie chimique à la Colorado School of Mines, à Golden, CO.
Pour fabriquer le catalyseur, Adzic a déposé de minuscules amas de platine et de rhodium sur des nanoparticules d'oxyde d'étain. Dans des études antérieures, il avait été démontré que le rhodium rompait les liaisons entre les atomes de carbone, mais seulement s'il était vaporisé à haute température dans un ultravide. La combinaison du rhodium avec l'oxyde d'étain lui a permis de rompre ces liaisons sous forme solide et aux températures relativement basses nécessaires pour les piles à combustible portables. Le platine joue un rôle clé dans la production de protons et d'électrons à partir d'atomes d'hydrogène dans l'éthanol.
Des défis importants restent à relever avant que le catalyseur ne puisse être commercialisé dans des piles à combustible à l'éthanol. En plus de relever les défis de l'incorporer dans des piles à combustible et de les concevoir pour produire efficacement de l'électricité à des courants élevés, les chercheurs devront trouver des moyens de réduire les coûts. Le rhodium est le métal précieux le plus cher - il est encore plus cher que le platine - il faudra donc soit le remplacer par un autre élément, soit développer des techniques pour réduire la quantité de rhodium nécessaire.
Pourtant, le nouveau catalyseur est une amélioration significative par rapport aux tentatives précédentes. La rupture de la liaison carbone-carbone à basse température est un problème extrêmement difficile, explique Herring. Le fait que [Adzic] brise ce lien est assez excitant. Mais il ajoute que ce n'est qu'un pas sur la voie de ce rêve d'une pile à combustible à éthanol direct.