Le coût élevé des catalyseurs au platine utilisés dans les piles à combustible à hydrogène limite la commercialisation des véhicules électriques à pile à combustible. Les scientifiques étudient des catalyseurs alternatifs pour augmenter la rentabilité et maintenir l'efficacité des piles à combustible à hydrogène.

Les chercheurs se tournent de plus en plus vers les systèmes de piles à combustible à hydrogène comme sources d'alimentation alternatives pour les véhicules et d'autres applications en raison de leur temps de ravitaillement rapide, densité énergétique élevée et absence d'émissions ou de sous-produits nocifs.

Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont récemment développé et étudié des catalyseurs pour piles à combustible, des produits chimiques qui accélèrent d'importantes réactions des piles à combustible, qui n'utilisent pas de platine. La recherche permet de mieux comprendre les mécanismes qui rendent ces catalyseurs efficaces, et les nouvelles connaissances pourraient aider à éclairer la production de catalyseurs encore plus efficaces et rentables.

Les piles à combustible à hydrogène disponibles dans le commerce reposent sur la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), qui divise les molécules d'oxygène en ions oxygène et les combine avec des protons pour former de l'eau. La réaction fait partie du processus global de la pile à combustible qui convertit l'hydrogène et l'oxygène de l'air en eau et en électricité. L'ORR est une réaction relativement lente, limitant l'efficacité des piles à combustible et nécessitant une grande quantité de catalyseur au platine.

"Actuellement, la réaction de réduction de l'oxygène est facilitée par des catalyseurs en alliage de platine, qui sont le composant le plus cher des électrodes de pile à combustible, " a déclaré Deborah Myers, un chimiste senior et le leader du groupe Hydrogène et Matériaux pour Piles à Combustible dans la division Sciences et Ingénierie Chimiques (CSE) d'Argonne. "Répandu, la commercialisation durable des véhicules électriques à pile à combustible nécessite soit une réduction spectaculaire de la quantité de platine requise, soit le remplacement des catalyseurs au platine par ceux fabriqués en terre abondante, des matériaux bon marché comme le fer."

Le catalyseur sans platine le plus prometteur pour une utilisation dans l'ORR est à base de fer, l'azote et le carbone. Pour produire le catalyseur, les scientifiques mélangent des précurseurs contenant les trois éléments et les chauffent entre 900 et 1100 degrés Celsius dans un processus appelé pyrolyse.

Après pyrolyse, les atomes de fer dans le matériau sont liés à quatre atomes d'azote et noyés dans un plan de graphène, une couche de carbone d'une épaisseur d'un atome. Chacun des atomes de fer constitue un site actif, ou un site sur lequel l'ORR peut se produire. Une plus grande densité de sites actifs dans le matériau rend l'électrode plus efficace.

« Les mécanismes par lesquels se forment les sites actifs lors de la pyrolyse sont encore très mystérieux, " a déclaré Myers. "Nous avons observé le processus en temps réel à l'échelle atomique pour mieux comprendre et éclairer la conception de catalyseurs plus performants."

Myers et ses collaborateurs ont réalisé une spectroscopie d'absorption des rayons X in situ au sein de l'équipe d'accès collaboratif de recherche sur les matériaux (MR-CAT) à la source de photons avancée (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science des États-Unis, découvrir le comportement du matériau à l'échelle atomique lors de la pyrolyse. Ils ont dirigé un faisceau de rayons X à travers le fer, précurseurs d'azote et de carbone et observé quels éléments se sont chimiquement liés les uns aux autres et comment.

Les scientifiques ont découvert que lors de la pyrolyse du fer, mélange précurseur d'azote et de carbone, les sites azote-graphène sont formés en premier, puis des atomes de fer gazeux s'insèrent dans ces sites. Ils ont également découvert qu'ils peuvent produire une densité plus élevée de sites actifs dans le catalyseur en insérant d'abord de l'azote dans le carbone, en utilisant une technique appelée dopage, puis introduire du fer dans le système lors de la pyrolyse, au lieu de chauffer les trois composants ensemble.

Au cours de ce processus, les scientifiques placent le carbone dopé à l'azote dans le four, et des atomes de fer gazeux s'insèrent dans des lacunes au centre de groupes de quatre atomes d'azote, formant des sites actifs. Cette approche évite le regroupement et l'enfouissement des atomes de fer dans la masse du carbone, augmenter le nombre de sites actifs à la surface du graphène.

L'étude faisait partie d'un projet plus vaste financé par le DOE Fuel Cell Technologies Office, appelé Electrocatalysis Consortium (ElectroCat), visant spécifiquement à stimuler le développement de catalyseurs sans platine pour les piles à combustible.

ElectroCat est dirigé par Argonne et le Laboratoire national de Los Alamos du DOE et compte des membres dont le Laboratoire national des énergies renouvelables du DOE et le Laboratoire national d'Oak Ridge. Cette étude est issue d'une collaboration entre ElectroCat et Northeastern University.

"Notre mission en tant que l'un des principaux laboratoires nationaux membres d'ElectroCat est non seulement de développer nos propres catalyseurs au sein du consortium, mais aussi pour soutenir les collaborations avec les universités et l'industrie, " a déclaré Myers.

Les conclusions de cette étude aident à combler le fossé des connaissances entre les précurseurs d'entrée et la structure résultante du catalyseur après pyrolyse. La découverte cruciale donne aux scientifiques un moyen d'augmenter la densité de sites actifs dans le matériau, et le groupe continuera à développer des catalyseurs sans platine plus actifs et plus stables pour une utilisation dans les piles à combustible à hydrogène.

Un document présentant les résultats de l'étude, intitulé "Chemin d'évolution des composés du fer vers les sites Fe1(II)-N4 à travers le fer en phase gazeuse pendant la pyrolyse, " a été publié le 27 décembre 2019, dans le Journal de l'American Chemical Society .