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Un catalyseur pour des piles à combustible moins chères
Un nouveau catalyseur à base de fer fonctionne ainsi que des catalyseurs à base de platine pour accélérer les réactions chimiques à l'intérieur des piles à combustible à hydrogène. Cette découverte pourrait contribuer à rendre les piles à combustible pour voitures électriques moins chères et plus pratiques.
Recette de catalyseur : Du noir de carbone, de l'acétate de fer et un matériau de remplissage rouge ou blanc sont utilisés pour fabriquer le catalyseur final.
Les chercheurs sur les piles à combustible ont recherché des alternatives moins chères et plus abondantes au platine, qui coûte entre 1 000 et 2 000 dollars l'once et est extrait presque exclusivement dans deux pays seulement : l'Afrique du Sud et la Russie. Un catalyseur prometteur qui utilise des matériaux beaucoup moins coûteux – fer, azote et carbone – est connu depuis longtemps pour favoriser les réactions nécessaires, mais à des vitesses beaucoup trop lentes pour être pratiques.
Aujourd'hui, des chercheurs de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) au Québec ont considérablement augmenté les performances de ce type de catalyseur à base de fer. Leur matériau produit 99 ampères par centimètre cube à 0,8 volt, une mesure clé de l'activité catalytique. C'est 35 fois mieux que le meilleur catalyseur de métaux non précieux à ce jour, et proche de l'objectif du ministère de l'Énergie pour les catalyseurs de piles à combustible : 130 ampères par centimètre cube. Il correspond également aux performances des catalyseurs au platine typiques, dit Jean-Pol Dodelet , professeur d'énergie, matériaux et télécommunications à l'INRS qui a dirigé les travaux.
L'amélioration, rapportée dans le dernier numéro de la revue La science , est assez surprenant, dit Radoslav Adzic , chimiste senior au Brookhaven National Laboratory à Upton, NY, qui développe également des catalyseurs pour piles à combustible. Le nouveau matériau répond à une référence pour les piles à combustible à hydrogène établie il y a cinq ans que nous pensions que personne ne rencontrerait jamais, ajoute Hubert Gasteiger , professeur invité de génie mécanique au MIT. Pour la toute première fois, un catalyseur en métal non précieux prend tout son sens.
L'idée clé des chercheurs de l'INRS était de trouver un moyen d'augmenter le nombre de sites catalytiques actifs dans le matériau - avec plus de sites pour les réactions chimiques, la vitesse globale des réactions dans le matériau augmente. Dans des travaux antérieurs, les chercheurs avaient montré que le chauffage du noir de carbone (une forme poudreuse de carbone similaire au graphite) à des températures élevées en présence d'ammoniac et d'acétate de fer créait des trous dans le carbone de quelques atomes de large. Les atomes d'azote se lient aux côtés opposés de ces minuscules espaces, et un ion fer relie ces atomes, formant un site actif pour la catalyse.
Pour augmenter le nombre de ces sites, les chercheurs ont utilisé une forme de carbone disponible dans le commerce qui possède déjà un grand nombre de pores tout aussi étroits. Le remplissage de ces pores avec un matériau contenant de l'azote et du fer, puis le chauffage du mélange ont permis d'améliorer considérablement les vitesses de réaction.
Le catalyseur est conçu pour fonctionner dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), un type de pile à combustible privilégié par les constructeurs automobiles car il fonctionne à des températures relativement basses et a une densité de puissance élevée, c'est-à-dire qu'une pile à combustible relativement petite peut produire suffisamment d'électricité pour propulser une voiture. Les piles à combustible PEM utilisent des catalyseurs à deux électrodes. Un catalyseur divise l'hydrogène et l'autre favorise une réaction qui combine des protons et de l'oxygène pour produire de l'eau. La deuxième réaction est plus difficile à réaliser : dans les piles à combustible classiques, le platine est utilisé dans les deux électrodes, mais il en faut 10 fois plus du côté de la production d'eau. Le nouveau catalyseur remplace le platine du côté de la production d'eau, éliminant la quasi-totalité du platine dans la pile à combustible.
Récemment, d'autres catalyseurs à base de métaux non précieux ont été mis en évidence dans un autre type de pile à combustible, appelée pile alcaline, mais ceux-ci peuvent ne pas fonctionner dans l'environnement acide des piles à combustible PEM. Dans le même temps, de nombreux chercheurs trouvent des moyens de réduire la quantité de platine nécessaire, plutôt que de remplacer complètement le matériau. Cela pourrait rendre les piles à combustible plus abordables à court terme, bien qu'à terme, si les piles à combustible doivent être largement utilisées, un catalyseur en métal non précieux sera nécessaire, dit Adzic.
Dodelet pense que même si son groupe a résolu le problème de l'augmentation de l'activité du catalyseur, il reste encore deux obstacles importants avant que cela puisse être pratique dans les piles à combustible. Premièrement, la durabilité du catalyseur doit être améliorée. Après 100 heures de test, les vitesses de réaction ont diminué de moitié. Deuxièmement, parce que le catalyseur ne peut fonctionner qu'aussi vite que les réactifs sont fournis, le transport de l'oxygène et des protons dans le matériau doit être amélioré, ce que Dodelet prévoit de laisser aux ingénieurs des piles à combustible. Adzic dit que la première étape pour aborder la durabilité des matériaux sera d'étudier de près le catalyseur pour mieux comprendre son fonctionnement.