Quoi de mieux que le platine ?

Dans les piles à combustible à hydrogène, la réponse est les porphyrines de cobalt cofaciales.

C'est une bouchée de dire, et si vous n'êtes pas chimiste, vous n'avez probablement jamais entendu parler de ces composés auparavant. Mais ces molécules, qui sont excellentes pour faciliter une réaction chimique nécessaire pour produire de l'énergie à partir d'hydrogène et d'oxygène, pourraient être la prochaine grande avancée dans le domaine des énergies alternatives.

Les composés s'assemblent en laboratoire à partir de blocs de construction chimiques de type Lego conçus pour s'emboîter. C'est la technologie shake-and-bake :les scientifiques ajoutent les morceaux dans un flacon, remuez-les ensemble et ajoutez la chaleur. Heures supplémentaires, les blocs de construction se rejoignent aux bons endroits pour former les complexes finaux.

Le matériau est bon marché et facile à produire en grande quantité. Cela en fait un candidat idéal pour remplacer les catalyseurs au platine coûteux utilisés aujourd'hui dans les piles à combustible à hydrogène, dit Timothy Cook, Doctorat., professeur adjoint de chimie à l'Université du Buffalo College of Arts and Sciences, dont l'équipe a conçu les nouveaux composés auto-assemblés.

Une telle technologie pourrait un jour permettre aux constructeurs automobiles de réduire le prix des voitures à hydrogène, mettre les véhicules écologiques à la portée d'un plus grand nombre de consommateurs. Les piles à combustible à faible coût pourraient également stimuler le développement d'autres dispositifs fonctionnant à l'hydrogène, tels que les générateurs de secours. L'hydrogène est considéré comme une source d'énergie propre car les piles à combustible n'émettent que de l'eau comme sous-produit.

"Pour faire baisser le prix des véhicules à hydrogène et en faire une option réaliste pour un plus grand nombre de personnes, nous avons besoin d'un catalyseur moins cher que le platine, " dit Cook. " Le catalyseur que nous avons fabriqué peut être auto-assemblé en quantités énormes. Il contient du ruthénium et du cobalt - des métaux beaucoup moins chers - et, encore, il fonctionne aussi bien ou mieux qu'un catalyseur au platine disponible dans le commerce que nous avons testé à ses côtés."

Une étude décrivant le nouveau matériel a été publiée le 29 mai dans Chimie :une revue européenne . Les co-auteurs de Cook comprenaient le premier auteur Amanda N. Oldacre, un récent doctorat en chimie de l'UB. diplômé; Doctorat en chimie de l'UB étudiant Matthew R. Crawley; et Alan E. Friedman, Doctorat., professeur agrégé de recherche en conception et innovation des matériaux à l'UB School of Engineering and Applied Sciences.

Un catalyseur d'autoproduction

Le laboratoire de Cook est spécialisé dans l'auto-assemblage moléculaire, un processus puissant pour créer de nouveaux matériaux.

"Quand je pense à l'auto-assemblage moléculaire, Je pense toujours aux Legos, " dit-il. " Vous avez des blocs de construction qui sont conçus pour s'emboîter, comme les pièces d'un puzzle. Ces blocs de construction sont attirés les uns par les autres, et quand vous les assemblez et ajoutez de l'énergie, ils se réunissent d'eux-mêmes.

"L'auto-assemblage est un excellent moyen de fabriquer une molécule complexe. Habituellement, synthétiser un nouveau matériau, vous devez ajouter des morceaux un par un, ce qui prend du temps et de l'argent. L'auto-assemblage moléculaire est plus rapide, c'est un processus en une seule étape."

Les porphyrines de cobalt cofaciales sont constituées de deux molécules plates appelées porphyrines de cobalt, qui sont empilés les uns sur les autres comme du pain de mie et reliés par des "clips" en ruthénium.

Pour créer les composés finaux, Le laboratoire de Cook a conçu des porphyrines et des clips avec des propriétés chimiques qui garantissent qu'ils se connectent les uns aux autres aux bons endroits. L'équipe a ensuite mélangé une solution de porphyrines avec les clips et ajouté de la chaleur. Dans deux jours, les morceaux s'étaient auto-assemblés pour former les porphyrines de cobalt cofacial.

Un catalyseur inspiré par la nature

Comme le catalyseur au platine qu'ils sont conçus pour remplacer, les porphyrines de cobalt cofacial facilitent une réaction chimique dans les piles à combustible à hydrogène appelée réduction de l'oxygène. Cela implique de diviser une molécule d'oxygène en deux atomes d'oxygène distincts qui peuvent ensuite se lier à l'hydrogène pour former de l'eau, une interaction qui produit de l'énergie.

Les scientifiques savent depuis longtemps que les porphyrines sont excellentes pour capter et diviser l'oxygène :dans le corps humain, les versions à base de fer de ces molécules sont chargées d'aider à convertir l'oxygène que nous respirons en eau, libérer de l'énergie dans le processus, dit Cook.

Mais la conception de structures de porphyrine artificielles qui agissent comme des catalyseurs a été difficile, il ajoute. Le processus de création de ces composés est généralement coûteux, impliquant de nombreuses étapes et générant très peu de matière à la fin.

L'auto-assemblage résout ces problèmes :l'équipe de Cook a créé 79 grammes de porphyrines de cobalt cofacial pour 100 grammes de matériau de démarrage, bien mieux que le rendement inférieur à 1 % signalé par d'autres laboratoires lors de la synthèse de matériaux similaires. En outre, son équipe a pu facilement échanger et tester des clips de ruthénium de différentes longueurs pour affiner les qualités électrochimiques du composé en vue de concevoir un catalyseur idéal.

"C'est vraiment gratifiant de travailler sur la chimie fondamentale de ce projet, qui pourrait avoir un impact important sur la conversion énergétique neutre en carbone, " dit Oldacre, le premier auteur. "En utilisant des techniques d'auto-assemblage, nous sommes en mesure de fabriquer des matériaux moins chers en 48 heures, sans le difficile, étapes de purification chronophages que nécessitent d'autres méthodes de synthèse de nouveaux composés."