Des scientifiques de l'Université de Stanford ont conçu un mécanisme électrocatalytique qui fonctionne comme un poumon de mammifère pour convertir l'eau en carburant. Leurs recherches, publié le 20 décembre dans la revue Joule , pourrait aider les technologies énergétiques propres existantes à fonctionner plus efficacement.

L'acte d'inspirer et d'expirer est si automatique pour la plupart des organismes qu'il pourrait être considéré comme simple, mais le processus respiratoire des mammifères est en fait l'un des systèmes les plus sophistiqués d'échange gazeux bidirectionnel que l'on trouve dans la nature. A chaque respiration, l'air se déplace à travers le minuscule, bronchioles pulmonaires ressemblant à des passages jusqu'à ce qu'elles atteignent de petits sacs appelés alvéoles. De là, le gaz doit passer dans la circulation sanguine sans simplement diffuser, ce qui provoquerait la formation de bulles nocives. C'est la structure unique des alvéoles, comprenant une membrane d'une épaisseur de l'ordre du micron qui repousse les molécules d'eau à l'intérieur tout en les attirant sur la surface extérieure, qui empêche la formation de ces bulles et rend l'échange gazeux très efficace.

Les scientifiques du laboratoire de l'auteur principal Yi Cui au Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Stanford se sont inspirés de ce processus afin de développer de meilleurs électrocatalyseurs :des matériaux qui augmentent la vitesse d'une réaction chimique au niveau d'une électrode. "Les technologies d'énergie propre ont démontré la capacité de livraison rapide de réactifs gazeux à l'interface de réaction, mais la voie inverse - évolution efficace du produit gazeux à partir de l'interface catalyseur/électrolyte - reste difficile, " dit Jun Li, le premier auteur de l'étude.

Le mécanisme de l'équipe imite structurellement l'alvéole et exécute deux processus différents pour améliorer les réactions qui conduisent les technologies durables telles que les piles à combustible et les batteries métal-air.

Le premier processus est analogue à l'expiration. Le mécanisme divise l'eau pour produire de l'hydrogène gazeux, un carburant propre, en oxydant les molécules d'eau dans l'anode d'une batterie tout en les réduisant dans la cathode. L'oxygène gazeux (avec l'hydrogène gazeux) est rapidement produit et transporté à travers un membrane de type alvéole en polyéthylène, sans les coûts énergétiques liés à la formation de bulles.

Le deuxième processus ressemble plus à l'inhalation et génère de l'énergie grâce à une réaction qui consomme de l'oxygène. L'oxygène gazeux est délivré au catalyseur à la surface de l'électrode, il peut donc être utilisé comme réactif lors de réactions électrochimiques.

Bien qu'il en soit encore aux premières phases de développement, la conception semble prometteuse. La membrane nano-polyéthylène exceptionnellement mince reste hydrophobe plus longtemps que les couches conventionnelles de diffusion de gaz à base de carbone, et ce modèle est capable d'atteindre des taux de densité de courant plus élevés et une surtension plus faible que les conceptions conventionnelles.

Cependant, cette conception inspirée des poumons a encore une certaine marge d'amélioration avant qu'elle ne soit prête pour une utilisation commerciale. La membrane en nano-polyéthylène étant un film à base de polymère, il ne peut pas tolérer des températures supérieures à 100 degrés Celsius, ce qui pourrait limiter ses applications. L'équipe pense que ce matériau peut être remplacé par des membranes hydrophobes nanoporeuses aussi minces capables de résister à une plus grande chaleur. Ils souhaitent également incorporer d'autres électrocatalyseurs dans la conception de l'appareil pour explorer pleinement leurs capacités catalytiques.

"La structure imitant la respiration pourrait être couplée à de nombreux autres électrocatalyseurs de pointe, et la poursuite de l'exploration de l'électrode triphasée gaz-liquide-solide offre des opportunités intéressantes pour la catalyse, " dit Jun Li.