Un meilleur catalyseur de platine pour les piles à combustible

Un nouveau type de catalyseur pourrait conduire à des piles à combustible qui utilisent un cinquième du platine qu'elles utilisent actuellement. Le nouveau matériau, développé par des chercheurs de l'Université de Houston, de l'Université technique de Berlin en Allemagne et du Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du Département de l'énergie à Menlo Park, en Californie, se compose de nanoparticules avec des noyaux constitués d'un alliage cuivre-platine et d'un coquille qui est principalement en platine. Le matériau est jusqu'à cinq fois plus efficace que le platine ordinaire.

Coque brillante : Lorsqu'une nanoparticule d'alliage de platine-cuivre de quatre nanomètres (en haut) est exposée à un courant alternatif cyclique, les atomes de cuivre se séparent de la surface, créant une coquille riche en platine, dont les images sont plus lumineuses (en bas) au microscope électronique à transmission à balayage.

Le platine et les alliages de platine sont les catalyseurs les plus efficaces pour accélérer les réactions chimiques dans les piles à combustible à hydrogène. Le platine est le seul métal qui peut résister aux conditions acides à l'intérieur d'une telle pile, mais il est cher, et cela a limité les applications larges et à grande échelle des piles à combustible. En outre, environ 90 % de l'approvisionnement mondial en platine provient de deux pays seulement : l'Afrique du Sud et la Russie.

Le nouveau matériau répond déjà à l'objectif 2015 du département américain de l'Énergie pour les catalyseurs au platine : produire au moins 0,44 ampère de courant électrique par milligramme de platine. Il produit jusqu'à 0,49 ampères par milligramme de platine, et les chercheurs pensent qu'il devrait être possible d'augmenter encore plus l'activité catalytique du matériau. Si nous pouvions obtenir un autre facteur de deux [amélioration de l'activité catalytique], nous pensons que le coût du platine dans ces piles à combustible rendrait la technologie plus pratique, déclare le physicien du SLAC. Anders Nilsson .

C'est un excellent travail qui devrait nous permettre d'utiliser moins de platine dans les piles à combustible, dit Jean-Pol Dodelet , professeur d'énergie, de matériaux et de télécommunications à l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) de Québec.

À l'anode d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) conventionnelle, le catalyseur divise l'hydrogène en ions hydrogène et en électrons, ces derniers sortant de la pile pour créer du courant. A la cathode, les molécules d'oxygène se combinent avec les électrons et les ions hydrogène pour former de l'eau. Cette réaction est lente et son accélération nécessite 10 fois plus de platine qu'il n'en utilise à l'anode. Si vous essayez de remplacer le platine, il est plus important de remplacer le platine à la cathode, explique Dodelet.

Peter Strasser, professeur de génie chimique à l'Université de Houston et au Université technique de Berlin , a commencé à travailler sur un nouveau type de catalyseur en 2005, en déposant des nanoparticules d'un alliage cuivre-platine sur des supports en carbone. Lorsqu'un courant alternatif cyclique est appliqué au matériau, le cuivre se sépare de la région de surface, donnant aux nanoparticules une couche externe riche en platine.

Dans un récent Chimie de la nature papier, les chercheurs révèlent le mécanisme qui rend ce catalyseur plus actif que le platine ordinaire. En étudiant comment les faisceaux de rayons X sont diffusés par le nouveau catalyseur, ils ont découvert que la distance entre les atomes de platine qui restent à la surface des nanoparticules est inférieure à la distance des nanoparticules de platine pur. Un bon catalyseur doit être capable de diviser les molécules d'oxygène en atomes mais ne doit pas se lier trop fortement aux atomes libres ; la distance plus courte entre les atomes de platine dans le nouveau matériau en fait un catalyseur plus efficace car il se lie encore plus faiblement aux atomes d'oxygène.

Il existe des alternatives à l'utilisation du platine comme catalyseur. Dodelet et son groupe ont travaillé avec General Motors pour développer un catalyseur prometteur à base de fer qu'ils travaillent maintenant à commercialiser. Pendant ce temps, des catalyseurs à faible coût en nanotubes de carbone et des catalyseurs au nickel sont en préparation pour la chimie alcaline des piles à combustible.

Les catalyseurs sans platine présentent des avantages autres que leur faible coût, selon Dai de chaulage , professeur d'ingénierie des matériaux à l'Université de Dayton, dans l'Ohio, qui travaille sur des catalyseurs à nanotubes de carbone. Les nanoparticules de platine ont tendance à perdre leur efficacité catalytique en s'agrégeant en particules plus grosses au fil du temps ou lorsque le monoxyde de carbone adhère à leur surface. Les nanotubes de carbone sont plus robustes à long terme, dit Dai.

C'est un travail intéressant et une avancée importante car le mécanisme pourrait être appliqué à d'autres catalyseurs, dit Dai à propos du nouveau catalyseur au platine. Il serait intéressant de vérifier la stabilité à long terme et l'effet d'empoisonnement au monoxyde de carbone [surface] pour ce type de catalyseur noyau-enveloppe.

Strasser convient que le nouveau catalyseur aura besoin de tests supplémentaires. Cependant, la plus grande taille des particules noyau-enveloppe les rend intrinsèquement plus stables que le platine pur, dit-il. Le choix de ce métal fait aussi la différence. Nous sommes convaincus que d'autres métaux autres que le platine dans le noyau, comme le cobalt ou le nickel, résoudront le problème de stabilité tout en maintenant l'avantage d'activité de la structure noyau-enveloppe, a déclaré Strasser.

Le nouveau matériau a également été testé dans des piles à combustible fonctionnelles, ce qui pourrait constituer un avantage commercial crucial. La plupart de ces autres catalyseurs ont été mesurés par des mesures électrochimiques, dit-il. Ils ont un potentiel d'utilisation à l'avenir, mais ce [nouveau catalyseur] est quelque chose que nous avons que vous pouvez mettre dans de vraies piles à combustible aujourd'hui.

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