Dans la revue Science , Les chimistes d'Argonne ont identifié un nouveau catalyseur qui maximise l'efficacité du platine.

Le platine est un métal précieux plus rare que l'argent ou l'or. Réputé dans la communauté des piles à combustible pour son efficacité à convertir l'hydrogène et l'oxygène en eau et en électricité, le platine offre une activité et une stabilité inégalées pour les réactions électrochimiques.

Mais le platine est à la fois rare et cher, ce qui signifie que les scientifiques cherchent à créer des catalyseurs de piles à combustible pratiques qui utilisent beaucoup moins de métal précieux coûteux.

Dans une nouvelle recherche du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), Publié dans Science , les scientifiques ont identifié un nouveau catalyseur qui utilise seulement environ un quart de platine autant que la technologie actuelle en maximisant l'efficacité du platine disponible.

Dans une pile à combustible, le platine est utilisé de deux manières : pour convertir l'hydrogène en protons et en électrons, et pour rompre les liaisons oxygène et finalement former de l'eau. Cette dernière réaction, la réaction de réduction de l'oxygène, nécessite une quantité particulièrement importante de platine, et les scientifiques ont cherché un moyen de réduire la teneur en platine des catalyseurs de réduction de l'oxygène.

Les scientifiques d'Argonne ont trouvé de nouvelles façons d'améliorer considérablement l'utilisation du platine. D'abord, ils ont modifié la forme du platine pour maximiser sa disponibilité et sa réactivité dans le catalyseur. Dans cette configuration, quelques couches d'atomes de platine pur recouvrent un noyau de nanoparticules en alliage cobalt-platine pour former une structure noyau-enveloppe.

"Si on ne vous donne qu'une très petite quantité de platine en premier lieu, il faut en faire le meilleur usage, " a déclaré le chimiste d'Argonne Di-Jia Liu, l'auteur correspondant de l'étude. "L'utilisation d'un alliage noyau-coque platine-cobalt nous permet de fabriquer un plus grand nombre de particules catalytiquement actives à répartir sur la surface du catalyseur, mais ce n'est que la première étape."

Les nanoparticules cœur-coquille à elles seules ne pouvaient toujours pas gérer un afflux important d'oxygène lorsque la pile à combustible doit augmenter le courant électrique. Pour augmenter l'efficacité du catalyseur, Liu et ses collègues se sont appuyés sur une autre approche qu'ils connaissaient bien de leurs recherches antérieures, produire un actif catalytiquement, substrat sans métal du groupe du platine (sans PGM) comme support pour les nanoparticules d'alliage cobalt-platine.

En utilisant des charpentes métallo-organiques comme précurseurs, Liu et ses collègues ont pu préparer un substrat composite cobalt-azote-carbone dans lequel les centres catalytiquement actifs sont uniformément répartis à proximité des particules de platine-cobalt. De tels centres actifs sont capables de rompre par eux-mêmes les liaisons oxygène et travaillent en synergie avec le platine.

"Vous pouvez le voir comme une équipe de football moléculaire, " a déclaré Liu. " Les nanoparticules noyau-coque agissent comme des joueurs de ligne défensifs éparpillés sur tout le terrain, essayer de s'attaquer à trop de molécules d'oxygène en même temps. Ce que nous avons fait, c'est de rendre le "champ" lui-même catalytiquement actif, capable d'aider à la lutte contre l'oxygène."

Comme ça s'est apparu, le nouveau catalyseur combiné a non seulement amélioré l'activité mais également la durabilité par rapport à l'un ou l'autre des composants seuls.

Liu et ses collègues ont créé un procédé breveté qui consiste d'abord à chauffer des structures métallo-organiques contenant du cobalt. Au fur et à mesure que la température augmente, certains des atomes de cobalt interagissent avec les matières organiques pour former un substrat sans PGM tandis que d'autres sont réduits en petits amas métalliques bien dispersés dans tout le substrat. Après ajout de platine suivi d'un recuit, les particules core-shell de platine-cobalt sont formées et entourées de sites actifs sans PGM.

Alors que l'objectif ultime est d'éliminer complètement le platine des catalyseurs de piles à combustible à hydrogène, Liu a déclaré que les recherches en cours ouvrent une nouvelle direction en abordant à la fois l'activité et la durabilité des catalyseurs des piles à combustible de manière rentable. "Étant donné que les nouveaux catalyseurs ne nécessitent qu'une très faible quantité de platine, similaire à celui utilisé dans les convertisseurs catalytiques automobiles existants, cela pourrait aider à faciliter la transition des moteurs à combustion interne conventionnels aux véhicules à pile à combustible sans perturber la chaîne d'approvisionnement et le marché du platine, " il a dit.

L'étude a consisté en la conception et la synthèse du catalyseur, modélisation informatique et caractérisation structurelle avancée à la source avancée de photons et au centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique d'Argonne, les deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.

Un article basé sur l'étude, "Catalyseurs de piles à combustible au platine-cobalt à charge ultra-faible dérivés de charpentes d'imidazolate, " paru dans le numéro du 8 novembre de Science .