Un facteur qui freine l'utilisation généralisée des piles à combustible à hydrogène respectueuses de l'environnement dans les voitures, camions et autres véhicules est le coût des catalyseurs au platine qui font fonctionner les cellules. Une approche pour utiliser du platine moins précieux consiste à le combiner avec d'autres métaux moins chers, mais ces catalyseurs en alliage ont tendance à se dégrader rapidement dans des conditions de pile à combustible.

Maintenant, des chercheurs de l'Université Brown ont mis au point un nouveau catalyseur en alliage qui à la fois réduit l'utilisation du platine et résiste bien aux tests de piles à combustible. Le catalyseur, fabriqué à partir d'alliage de platine et de cobalt dans des nanoparticules, a montré qu'il dépassait les objectifs du département américain de l'Énergie (DOE) pour l'année 2020 en termes de réactivité et de durabilité, selon les tests décrits dans le journal Joule .

"La durabilité des catalyseurs en alliage est un gros problème dans le domaine, " dit Junrui Li, un étudiant diplômé en chimie à Brown et l'auteur principal de l'étude. "Il a été démontré que les alliages fonctionnent mieux que le platine pur au départ, mais dans les conditions, à l'intérieur d'une pile à combustible, la partie en métal non précieux du catalyseur s'oxyde et s'échappe très rapidement."

Pour résoudre ce problème de lixiviation, Li et ses collègues ont développé des nanoparticules d'alliage avec une structure spécialisée. Les particules ont une enveloppe extérieure en platine pur entourant un noyau constitué de couches alternées d'atomes de platine et de cobalt. Cette structure de noyau en couches est la clé de la réactivité et de la durabilité du catalyseur, dit Shouheng Sun, professeur de chimie à Brown et auteur principal de la recherche.

"La disposition en couches des atomes dans le noyau aide à lisser et à resserrer le réseau de platine dans l'enveloppe externe, " Sun a déclaré. "Cela augmente la réactivité du platine et en même temps protège les atomes de cobalt d'être rongés pendant une réaction. C'est pourquoi ces particules fonctionnent tellement mieux que les particules d'alliage avec des arrangements aléatoires d'atomes métalliques."

Les détails de la façon dont la structure ordonnée améliore l'activité du catalyseur sont décrits brièvement dans le Joule papier, mais plus précisément dans un article de modélisation informatique séparé publié dans le Journal de physique chimique . Le travail de modélisation a été dirigé par Andrew Peterson, professeur agrégé à la Brown's School of Engineering, qui était également co-auteur de la Joule papier.

Pour le travail expérimental, les chercheurs ont testé la capacité du catalyseur à effectuer la réaction de réduction de l'oxygène, ce qui est essentiel pour les performances et la durabilité de la pile à combustible. D'un côté d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), les électrons dépouillés du carburant hydrogène créent un courant qui entraîne un moteur électrique. De l'autre côté de la cellule, les atomes d'oxygène prennent ces électrons pour compléter le circuit. Cela se fait par la réaction de réduction de l'oxygène.

Les tests initiaux ont montré que le catalyseur fonctionnait bien en laboratoire, surpassant un catalyseur en alliage de platine plus traditionnel. Le nouveau catalyseur a maintenu son activité après 30, 000 cycles de tension, alors que les performances du catalyseur traditionnel ont chuté de manière significative.

Mais si les tests en laboratoire sont importants pour évaluer les propriétés d'un catalyseur, disent les chercheurs, ils ne montrent pas nécessairement à quel point le catalyseur fonctionnera dans une pile à combustible réelle. L'environnement de la pile à combustible est beaucoup plus chaud et diffère en acidité par rapport aux environnements d'essai en laboratoire, ce qui peut accélérer la dégradation du catalyseur. Pour savoir dans quelle mesure le catalyseur tiendrait dans cet environnement, les chercheurs ont envoyé le catalyseur au laboratoire national de Los Alamos pour qu'il soit testé dans une pile à combustible réelle.

Les tests ont montré que le catalyseur dépasse les objectifs fixés par le ministère de l'Énergie (DOE) pour l'activité initiale et la durabilité à long terme. Le DOE a mis les chercheurs au défi de développer un catalyseur avec une activité initiale de 0,44 ampères par milligramme de platine d'ici 2020, et une activité d'au moins 0,26 ampères par milligramme après 30, 000 cycles de tension (environ l'équivalent de cinq ans d'utilisation dans un véhicule à pile à combustible). Les tests du nouveau catalyseur ont montré qu'il avait une activité initiale de 0,56 ampères par milligramme et une activité après 30, 000 cycles de 0,45 ampères.

"Même après 30 ans, 000 cycles, notre catalyseur dépassait toujours l'objectif du DOE pour l'activité initiale, " Sun a déclaré. "Ce genre de performance dans un environnement de pile à combustible du monde réel est vraiment prometteur."

Les chercheurs ont déposé un brevet provisoire sur le catalyseur, et ils espèrent continuer à le développer et à l'affiner.