Les systèmes d'énergie électrochimique, processus par lesquels l'énergie électrique est convertie en énergie chimique, sont au cœur de l'établissement d'une production et d'un stockage plus efficaces de l'énergie intermittente à partir de sources renouvelables dans les piles à combustible et les batteries.

Les substances puissantes connues sous le nom de catalyseurs, qui servent à accélérer les réactions chimiques, sont des acteurs clés de ces systèmes. La taille et l'efficacité des piles à combustible, par exemple, pourrait grandement bénéficier de l'utilisation de catalyseurs à haute performance.

Produire de meilleurs catalyseurs est plus facile à dire qu'à faire, toutefois. L'utilité d'un catalyseur repose en partie sur la quantité et la qualité de ses sites actifs, en raison de la géométrie et des propriétés électroniques spécifiques des sites. L'ingénierie de ces sites peut être une tâche ardue, processus inefficace.

Maintenant, des chercheurs de l'Université du Delaware ont révolutionné la façon dont les scientifiques peuvent concevoir des structures de catalyseur. Leur travail, présenté dans le dernier numéro de la revue scientifique de premier plan Chimie de la nature , a établi une nouvelle approche pour gérer les produits chimiques hautement sensibles à la structure afin d'atteindre l'activité la plus élevée possible tout en tenant compte de la stabilité du catalyseur.

"L'optimisation des catalyseurs au niveau atomique est un problème de longue date, comme les centres actifs sont généralement inconnus, et comment les emballer au mieux pour effectuer la chimie est resté insaisissable, " dit Dion Vlachos, Allan et Myra Ferguson Chaire de génie chimique à l'UD et co-auteur de l'article. « Alors que nous concevons des matériaux pour des performances améliorées, la stabilité des matériaux est critique. Notre méthode est la première à aborder à la fois l'ingénierie des cristaux avec une précision atomique et la stabilité des matériaux."

Selon les chercheurs, ce qui distingue leur méthode, c'est la rationalisation de la synthèse des matériaux, en utilisant des ordinateurs pour créer des variations microscopiques - ou nanodéfauts - sur la surface d'un catalyseur.

"Autrefois, les chercheurs ont modélisé différents sites actifs un par un, ce qui prend beaucoup de temps, " dit le co-auteur Marcel Nunez, qui a obtenu son doctorat en génie chimique et biomoléculaire à l'UD et est maintenant ingénieur de conception chez Intel. "Notre approche est automatisée. C'est vraiment la première du genre, aider à rendre les catalyseurs plus faciles à synthétiser et plus stables lors des réactions chimiques. »

Josh Lansford, doctorant au laboratoire Vlachos et co-auteur de l'article, a souligné que, tandis que les calculs commencent à petite échelle - quantique, dans ce cas, les résultats sont tout sauf.

"Il s'agit de restructurer la surface du catalyseur pour diminuer l'énergie nécessaire au démarrage de la réaction, " dit-il. " Plus le site est actif, plus le courant électrique est élevé, ce qui conduit à une réaction plus rapide et à une pile à combustible plus puissante."

Les chercheurs ont démontré l'efficacité de leur nouvelle méthodologie en utilisant un processus appelé la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), qui est souvent utilisé pour produire de l'énergie dans les piles à combustible pour le transport. Parce que l'oxygène est abondant dans l'atmosphère terrestre, L'ORR est une méthode idéale pour produire des sources d'alimentation portables qui n'émettent pas de dioxyde de carbone (CO2).

Alors que les piles à combustible ne sont pas encore économiquement viables à grande échelle, les auteurs ont dit qu'ils espèrent que leur percée contribuera à changer cela, ouvrant de nouvelles voies pour une production d'énergie plus propre et plus économique.

« La vision à long terme de notre méthodologie est qu'elle sera utilisée pour concevoir la structure de catalyseur souhaitée sur des ordinateurs, " a déclaré Nunez. " Le catalyseur serait ensuite synthétisé et caractérisé en laboratoire et utilisé dans les piles à combustible, ayant une performance supérieure à la norme industrielle actuelle. Notre approche nous rapproche de la faisabilité économique de véhicules à pile à combustible propres. »