Les piles à combustible à hydrogène sont une technologie prometteuse pour produire une énergie propre et renouvelable, mais le coût et l'activité de leurs matériaux cathodiques constituent un défi majeur pour la commercialisation. De nombreuses piles à combustible nécessitent des catalyseurs coûteux à base de platine - des substances qui initient et accélèrent les réactions chimiques - pour aider à convertir les carburants renouvelables en énergie électrique. Pour rendre les piles à combustible à hydrogène commercialement viables, les scientifiques recherchent des catalyseurs plus abordables qui offrent la même efficacité que le platine pur.

"Comme une batterie, Les piles à combustible à hydrogène convertissent l'énergie chimique stockée en électricité. La différence est que vous utilisez un carburant renouvelable, donc, en principe, cette « batterie » durerait éternellement, " a déclaré Adrian Hunt, un scientifique à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation des utilisateurs du Bureau des sciences du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) au laboratoire national de Brookhaven du DOE. "Trouver un catalyseur bon marché et efficace pour les piles à combustible à hydrogène est fondamentalement le Saint Graal pour rendre cette technologie plus réalisable."

Participant à cette recherche mondiale de matériaux pour cathodes de piles à combustible, des chercheurs de l'Université d'Akron ont développé une nouvelle méthode de synthèse de catalyseurs à partir d'une combinaison de métaux (platine et nickel) qui forment des nanoparticules octaédriques (à huit côtés). Alors que les scientifiques ont identifié ce catalyseur comme l'un des substituts les plus efficaces du platine pur, ils n'ont pas entièrement compris pourquoi il pousse sous une forme octaédrique. Pour mieux comprendre le processus de croissance, les chercheurs de l'Université d'Akron ont collaboré avec plusieurs institutions, y compris Brookhaven et son NSLS-II.

"Comprendre comment le catalyseur à facettes est formé joue un rôle clé dans l'établissement de sa corrélation structure-propriété et dans la conception d'un meilleur catalyseur, " dit Zhengeng Peng, chercheur principal du laboratoire de catalyse de l'Université d'Akron. « Le cas du processus de croissance du système platine-nickel est assez sophistiqué, nous avons donc collaboré avec plusieurs groupes expérimentés pour relever les défis. Les techniques de pointe du Brookhaven National Lab ont été d'une grande aide pour étudier ce sujet de recherche."

En utilisant les rayons X ultra-brillants du NSLS-II et les capacités avancées de la ligne de faisceaux de spectroscopie à rayons X in situ et Operando Soft (IOS) du NSLS-II, les chercheurs ont révélé la caractérisation chimique de la voie de croissance du catalyseur en temps réel. Leurs conclusions sont publiées dans Communication Nature .

"Nous avons utilisé une technique de recherche appelée spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante (AP-XPS) pour étudier la composition de surface et l'état chimique des métaux dans les nanoparticules pendant la réaction de croissance, " a déclaré Iradwikanari Waluyo, scientifique principal à IOS et co-auteur du document de recherche. « Dans cette technique, nous dirigeons des rayons X sur un échantillon, ce qui provoque la libération d'électrons. En analysant l'énergie de ces électrons, nous sommes capables de distinguer les éléments chimiques dans l'échantillon, ainsi que leurs états chimiques et d'oxydation."

Chasser, qui est également auteur sur le papier, ajoutée, "C'est similaire à la façon dont la lumière du soleil interagit avec nos vêtements. La lumière du soleil est à peu près jaune, mais une fois qu'il touche la chemise d'une personne, vous pouvez dire si la chemise est bleue, rouge, ou vert."

Plutôt que des couleurs, les scientifiques identifiaient des informations chimiques à la surface du catalyseur et les comparaient à son intérieur. Ils ont découvert que, pendant la réaction de croissance, le platine métallique se forme en premier et devient le noyau des nanoparticules. Puis, lorsque la réaction atteint une température légèrement supérieure, le platine aide à former du nickel métallique, qui se sépare ensuite à la surface de la nanoparticule. Dans les phases finales de croissance, la surface devient à peu près un mélange égal des deux métaux. Cet effet synergique intéressant entre le platine et le nickel joue un rôle important dans le développement de la forme octaédrique de la nanoparticule, ainsi que sa réactivité.

"Ce qui est bien avec ces découvertes, c'est que le nickel est un matériau bon marché, alors que le platine est cher, " Hunt a dit. " Alors, si le nickel à la surface de la nanoparticule catalyse la réaction, et ces nanoparticules sont encore plus actives que le platine seul, alors j'espère, avec plus de recherche, nous pouvons déterminer la quantité minimale de platine à ajouter tout en obtenant la haute activité, créer un catalyseur plus rentable."

Les résultats dépendaient des capacités avancées d'IOS, où les chercheurs ont pu mener les expériences à des pressions de gaz supérieures à ce qui est généralement possible dans les expériences XPS conventionnelles.

« Chez IOS, nous avons pu suivre en temps réel l'évolution de la composition et de l'état chimique des nanoparticules dans les conditions réelles de croissance, " dit Waluyo.

Études supplémentaires d'imagerie aux rayons X et aux électrons réalisées à la source avancée de photons (APS) du laboratoire national d'Argonne du DOE - une autre installation utilisateur du DOE Office of Science - et à l'Université de Californie-Irvine, respectivement, complété le travail au NSLS-II.

"Ce travail fondamental met en évidence le rôle important du nickel ségrégué dans la formation du catalyseur de forme octaédrique. Nous avons mieux compris le contrôle de la forme des nanoparticules de catalyseur, " Peng a déclaré. "Notre prochaine étape consiste à étudier les propriétés catalytiques des nanoparticules à facettes pour comprendre la corrélation structure-propriété."