Afin de réduire le coût des piles à combustible à électrolyte polymère de nouvelle génération pour les véhicules, les chercheurs ont développé des alternatives aux catalyseurs au platine et aux métaux du groupe du platine (PGM) d'un coût prohibitif actuellement utilisés dans les électrodes des piles à combustible. De nouveaux travaux dans les laboratoires nationaux de Los Alamos et d'Oak Ridge résolvent des questions difficiles sur les performances des piles à combustible, à la fois pour déterminer de nouveaux matériaux efficaces et comprendre leur fonctionnement au niveau atomique. La recherche est décrite cette semaine dans le journal Science .

"Ce qui rend cette exploration particulièrement importante, c'est qu'elle améliore notre compréhension des raisons exactes pour lesquelles ces catalyseurs alternatifs sont actifs, " dit Piotr Zelenay, chef du projet au Laboratoire national de Los Alamos. "Nous avons fait progresser le domaine, mais sans comprendre les sources d'activité; sans les connaissances structurelles et fonctionnelles, la poursuite des progrès allait être très difficile."

S'appuyant sur des études antérieures, l'équipe dirigée par Los Alamos a synthétisé des catalyseurs comprenant des alternatives au platine à faible coût qui offrent des performances comparables au catalyseur de pile à combustible PGM standard utilisé dans les applications automobiles. En utilisant la microscopie sophistiquée au Oak Ridge National Laboratory (ORNL), les chercheurs ont pu observer directement les sites actifs d'un seul atome dans le nouveau matériau où se déroule la catalyse, qui a fourni des informations uniques sur le potentiel d'efficacité du matériau sans PGM.

Le platine aide à la fois à l'oxydation électrocatalytique de l'hydrogène combustible à l'anode et à la réduction électrocatalytique de l'oxygène de l'air à la cathode, produire de l'électricité utilisable. Trouver un viable, l'alternative de catalyseur sans PGM à faible coût devient de plus en plus possible, mais comprendre exactement où et comment la catalyse se produit dans ces nouveaux matériaux est un défi de longue date. C'est vrai, Zelenay a noté, notamment dans la cathode de la pile à combustible, où une réaction de réduction de l'oxygène relativement lente, ou ORR, a lieu qui nécessite un « chargement » important de platine.

Le nouveau matériau examiné dans cette étude est un électrocatalyseur fer-azote-carbone (Fe-N-C), synthétisé avec deux précurseurs d'azote qui ont développé une structure de pores hiérarchique pour exposer une grande partie des surfaces de carbone à l'oxygène. Ses performances en pile à combustible se rapprochent de celles des catalyseurs au platine, une avancée significative, comme documenté dans les performances du banc d'essai des piles à combustible.

Grâce à l'utilisation du microscope électronique à transmission à balayage à correction d'aberration de l'ORNL et de la spectroscopie de perte d'énergie électronique, Les chercheurs de l'ORNL ont pu fournir la première observation directe du site actif de l'ORR souvent proposé, FeN4, au niveau atomique.

"Avec à la fois ces performances et la visualisation atomique des sites de réaction, nous comblons l'écart pour remplacer le platine par un catalyseur haute performance prêt à être mis à l'échelle pour une application potentielle dans les piles à combustible pour les applications automobiles, " a déclaré Karren More, Chef d'équipe de microscopie ORNL.

En outre, la haute activité des catalyseurs Fe-N-C et la structure du site actif FeN4 ont été prédites par une modélisation informatique menée à Los Alamos, tout comme la voie de réaction possible.

"Dans cet article, nous associons les résultats de la modélisation et de la microscopie à la haute activité déterminée électrochimiquement d'un catalyseur de réaction de réduction de l'oxygène sans PGM, ", a déclaré Zelenay.

La recherche de Los Alamos sur les piles à combustible élargit les options de production d'énergie à l'appui de la mission du Laboratoire de renforcer la sécurité énergétique du pays.