Les chercheurs de Lehigh ont collaboré avec des collègues en Chine et dans trois laboratoires nationaux aux États-Unis pour développer un catalyseur à base d'or qui, selon eux, pourrait améliorer les performances et l'efficacité des piles à combustible fonctionnant à l'hydrogène.

Écrire dans Science magazine, le groupe a déclaré que son catalyseur, comprenant des nanoparticules d'or en forme de radeau sur un type spécial de substrat en carbure de molybdène (α-MoC), avait atteint un niveau d'activité élevé à basse température tout en produisant les flux purs d'hydrogène nécessaires pour alimenter les piles à combustible.

Les chercheurs ont déclaré avoir obtenu leurs résultats en utilisant la réaction de déplacement eau-gaz (WGS), qui convertit le monoxyde de carbone (CO) et l'eau en hydrogène (H2) et en dioxyde de carbone (CO2). Le groupe a pu purifier l'hydrogène en utilisant tout le CO disponible, qui tend à désactiver les catalyseurs des piles à combustible. La réaction WGS, qui est généralement utilisé pour fabriquer de l'hydrogène pour la fabrication de produits chimiques comme l'ammoniac, est également un élément essentiel de l'effort de transition des carburants à base d'hydrocarbures à l'hydrogène.

"Notre réaction produit un flux d'hydrogène très pur qui n'est pas contaminé par le CO, qui, s'il était présent, empoisonnerait les catalyseurs à l'intérieur de la pile à combustible, " a déclaré Christopher J. Kiely, le professeur principal Harold B. Chambers de science et d'ingénierie des matériaux à Lehigh. "Nous sommes vraiment enthousiasmés par ce développement car il nous rapproche d'avoir des voitures fonctionnant avec des piles à combustible à hydrogène."

Kiely a déclaré que l'utilisation du substrat α-MoC - une innovation de Ding Ma et de ses collègues de l'Université de Pékin en Chine - a permis au groupe de surmonter les lacunes précédemment signalées en catalysant la réaction WGS.

"On sait depuis longtemps que l'or supporté sur divers substrats d'oxyde pourrait provoquer la réaction WGS. Le point d'achoppement à ce jour a été que généralement l'activité catalytique était trop faible et invariablement le catalyseur n'était pas assez stable pour une utilisation à long terme. "

Le groupe a rendu compte de ses résultats le 28 juillet dans un article intitulé « Atomic-layered Au clusters on alpha-molybdenum carbide (α-MoC) as catalyseurs for the low-temperature water-gas shift reaction ».

En plus de Kiely, les auteurs de l'article incluent Li Lu, un doctorat Lehigh. candidat, et Wu Zhou, qui a obtenu son doctorat. à Lehigh en 2010 et est maintenant professeur à l'Université de l'Académie chinoise des sciences à Pékin.

Les autres auteurs sont affiliés à l'Université de Pékin, Université de technologie de Dalian, Synfuels China et Taiyuan University of Technology, tout en Chine, et Oak Ridge, Brookhaven et Lawrence Berkeley National Laboratories aux États-Unis. Le scientifique principal du travail est Ding Ma, professeur au Collège de chimie et de génie moléculaire et au Collège d'ingénierie de l'Université de Pékin à Pékin.

Pour obtenir une activité catalytique élevée à basse température (c'est-à-dire, en dessous des 150 degrés C. nécessaires pour faire fonctionner efficacement une pile à combustible), le groupe a dispersé l'or sur un carbure (α-MoC) au lieu de l'oxyde de fer, l'oxyde de cérium ou d'autres substrats d'oxyde réductible précédemment essayés pour la réaction WGS. La nouvelle formulation du catalyseur s'est avérée plus stable que les catalyseurs conventionnels, tout en réalisant une activité beaucoup plus importante, une mesure de l'efficacité d'un catalyseur.

"La beauté du support α-MoC, " dit Kiely, « est-ce qu'il peut activer l'eau pour qu'elle crée des espèces hydroxyles (OH) de surface actives, qui peut alors réagir avec le CO pour donner de l'hydrogène et du CO2. Le support de carbure joue donc un rôle très important et critique dans cette réaction.

"Ce système fonctionne très bien aux températures et pressions nécessaires pour les applications de piles à combustible et son activité est d'un ordre de grandeur meilleur que celui des catalyseurs à base d'or précédemment essayés."

Dans des études réalisées avec le microscope électronique à transmission à balayage (STEM) à correction d'aberration de Lehigh, le groupe a démontré que l'or existe sous deux formes distinctes sur le support α-MoC.

"La microscopie a montré que l'or existe sous forme de radeaux nanométriques de quelques atomes d'épaisseur seulement et également sous forme d'atomes d'or individuels dispersés sur le support, " dit Kiely, qui dirige l'installation de microscopie électronique et de nanofabrication de Lehigh.

« Nous avons mesuré l'activité catalytique avec ces deux espèces présentes sur le support α-MoC. Ensuite, nous avons sélectivement retiré les particules, ne laissant que les atomes derrière. Quand nous avons fait cela, l'activité est tombée à moins d'un dixième de son niveau initial. Cela nous a montré que la plupart de l'activité provient de ces particules ressemblant à des radeaux. »

Cet article est le neuvième que Kiely publie à ce jour dans Science; il en a également publié quatre dans Nature. Les deux publications sont considérées comme les principales revues scientifiques au monde.

Plus tôt ce mois-ci, Kiely a reçu l'une des plus hautes distinctions dans son domaine lorsqu'il a été intronisé en tant que membre de la Microscopy Society of America.

La désignation MSA Fellow reconnaît chaque année les membres distingués de la société dont les réalisations et les services ont apporté une contribution significative à l'avancement des domaines de la microscopie et de la microanalyse.

Kiely a été cité pour ses « contributions remarquables à la caractérisation des caractéristiques à l'échelle nanométrique dans les matériaux particulaires et les interfaces, notamment dans les domaines des matériaux catalytiques, phénomènes d'auto-assemblage de nanoparticules, matériaux carbonés, et les hétérointerfaces semi-conductrices."