Les chercheurs ont utilisé le plasma pour créer de nouveaux catalyseurs beaucoup moins chers et presque aussi efficaces que la norme, versions du groupe du platine. Crédit :Université de Princeton
Comme toute personne ayant acheté des bijoux peut en témoigner, le platine est cher. C'est dur pour les consommateurs mais aussi un obstacle sérieux pour une source d'électricité prometteuse pour les véhicules :la pile à combustible à hydrogène, qui repose sur le platine.
Maintenant une équipe de recherche dirigée par Bruce E. Koel, professeur de génie biologique et chimique à l'Université de Princeton, a ouvert la porte à la recherche d'alternatives beaucoup moins chères. Dans un article publié le 4 avril dans la revue Communication Nature , les chercheurs ont rapporté qu'un composé chimique à base d'hafnium fonctionnait environ 60% aussi efficacement que les matériaux liés au platine, mais à environ un cinquième du coût.
"Nous espérons trouver quelque chose de plus abondant et moins cher pour catalyser les réactions, " dit Xiaofang Yang, scientifique principal chez HiT Nano Inc. et collaborateur invité à Princeton qui travaille avec Koel sur le projet.
Les piles à combustible fonctionnent en convertissant l'énergie stockée dans les atomes d'hydrogène directement en électricité. La NASA utilise depuis longtemps des piles à combustible pour alimenter des satellites et d'autres missions spatiales. Aujourd'hui, ils commencent à être utilisés pour les voitures et les bus électriques.
L'hydrogène est l'élément le plus simple et le plus abondant non seulement sur cette planète, mais aussi dans l'univers connu.
Au niveau le plus élémentaire, les piles à combustible produisent de l'électricité en divisant l'hydrogène en ses deux composants, un proton et un électron. Les protons traversent une membrane et se combinent avec l'oxygène pour former de l'eau. Les électrons chargés négativement se dirigent vers un pôle chargé positivement dans la pile à combustible. Ce flux d'électrons est le courant que la pile à combustible génère, qui peuvent alimenter des moteurs ou d'autres appareils électriques. Cette division nécessite un matériau tel que le platine pour catalyser la réaction.
Les catalyseurs sont également utilisés dans les réactions qui créent l'hydrogène gazeux qui sert de carburant pour la pile à combustible. Dans le plus désirable, cas indépendant des combustibles fossiles, l'énergie électrique renouvelable peut être utilisée pour séparer les molécules d'eau (deux atomes d'hydrogène et un oxygène) en présence d'un catalyseur. La réaction sépare l'eau en gaz oxygène et hydrogène. Plus le catalyseur est efficace, moins il faut d'énergie pour séparer l'eau.
Certaines piles à combustible avancées, appelées piles à combustible régénératives, combiner les deux réactions. Mais la plupart des piles à combustible actuelles reposent sur l'hydrogène créé par des systèmes séparés et vendu comme carburant.
Des chercheurs de Princeton ont mis au point une méthode pour créer des catalyseurs à moindre coût pour les piles à combustible et la production d'hydrogène. De gauche, l'équipe de recherche comprenait Bruce Koel, professeur de génie chimique et biologique; et les co-chercheurs Xiaofang Yang, un chercheur invité; Fang Zhao, un chercheur postdoctoral; et Nan Yao, chercheur principal et directeur du Centre d'imagerie et d'analyse de l'institut des matériaux de Princeton. Photo de Frank Wojciechowski
À l'heure actuelle, les meilleurs catalyseurs pour les deux réactions sont les métaux du groupe du platine. Les chercheurs ne pensent pas que cela changera car "le platine est presque parfait, " a déclaré Koel. Avec les métaux du groupe du platine, les réactions électrochimiques pour extraire l'hydrogène sont rapides et efficaces, De plus, les métaux peuvent résister aux conditions acides difficiles actuellement requises pour de telles réactions.
Le problème, bien que, est que le platine est rare et coûteux. « Vous ne pouvez pas vraiment imaginer remplacer les infrastructures de transport par des piles à combustible à base de platine, ", a déclaré Koel. "C'est trop rare et trop cher à utiliser à cette échelle."
Pour de telles applications, la perfection du platine n'est peut-être pas nécessaire. Un substitut assez bon, les chercheurs ont trouvé, est de l'oxyhydroxyde d'hafnium qui a été traité avec un plasma d'azote (le plasma est un gaz ionisé et est un état de la matière présent dans les lampes fluorescentes et le soleil) pour incorporer des atomes d'azote dans le matériau.
Précédemment, de nombreux matériaux ont été négligés pour les applications électrochimiques car ils ne sont pas conducteurs. Cependant, les chercheurs ont découvert que le traitement de l'oxyde d'hafnium avec le plasma d'azote forme un film mince de matériau qui fonctionne comme un catalyseur hautement actif qui survit également dans des conditions acides fortes.
Alors que ce film à base d'hafnium n'est qu'environ les deux tiers aussi efficace que le platine, l'hafnium est beaucoup moins cher que le platine. Les chercheurs prévoient de tester le zirconium, ce qui est encore moins cher, Suivant.
Bien qu'ils puissent être utiles dans les piles à combustible, Yang et Koel pensent que ces types de matériaux pourraient être très utiles dans les systèmes qui déploient un catalyseur pour séparer électrochimiquement l'eau afin de produire de l'hydrogène à utiliser comme carburant.
« La future économie renouvelable dépend fortement de la façon dont nous pouvons diviser efficacement l'eau pour produire de l'hydrogène, " Yang a dit. "Cette étape est assez importante."
Mais Yang et Koel soulignent que leur découverte ne va pas encore conduire à une ruée vers de nouvelles technologies abordables, ni même dans un avenir proche. À l'heure actuelle, la procédure de création du matériau est complexe et confinée au laboratoire. Alors qu'ils ont confirmé la performance du film, il faut toujours tenir compte de l'ingénierie nécessaire pour le fabriquer pratiquement à grande échelle. Au lieu, cette découverte ouvre la porte à une exploration plus poussée de matériaux susceptibles de remplacer le platine.
"Nous ne comprenons toujours pas pourquoi ce matériau particulier est si spécial, mais nous sommes confiants quant aux propriétés que nous avons mesurées, " a déclaré Koel. " Le matériel est compliqué, donc nous avons beaucoup de travail à faire."
