Une équipe de recherche interdisciplinaire de l'Université technique de Munich (TUM) a réussi à optimiser la taille des nanoparticules de platine pour la catalyse des piles à combustible afin que les nouveaux catalyseurs soient deux fois plus performants que les meilleurs procédés actuellement disponibles dans le commerce. La photo montre les premiers auteurs :Dr Batyr Garlyyev, Catherine Kratzl, et Marlon Rueck (f.l.t.r.). Crédit :Astrid Eckert / TUM
Une équipe de recherche interdisciplinaire de l'Université technique de Munich (TUM) a construit des nanoparticules de platine pour la catalyse dans les piles à combustible :les nouveaux catalyseurs à taille optimisée sont deux fois plus puissants que le meilleur procédé actuellement disponible dans le commerce.
Les piles à combustible pourraient bien remplacer les batteries comme source d'alimentation des voitures électriques. Ils consomment de l'hydrogène, un gaz qui pourrait être produit, par exemple, en utilisant le surplus d'électricité des centrales éoliennes. Cependant, le platine utilisé dans les piles à combustible est rare et extrêmement cher, et cela a été un facteur limitant dans les applications jusqu'à présent.
Une équipe de recherche de l'Université technique de Munich (TUM) dirigée par Roland Fischer, Professeur de chimie inorganique et organométallique, Aliaksandr Bandarenka, Physique de la conversion et du stockage de l'énergie et Alessio Gagliardi, Professeur de Simulation de Nanosystèmes pour la Conversion d'Energie, a maintenant optimisé la taille des particules de platine à un degré tel que les particules fonctionnent à des niveaux deux fois plus élevés que les meilleurs procédés disponibles dans le commerce aujourd'hui.
Idéal :Un « œuf » en platine d'une taille d'un nanomètre seulement
Dans les piles à combustible, l'hydrogène réagit avec l'oxygène pour produire de l'eau, produire de l'électricité dans le processus. Des catalyseurs sophistiqués aux électrodes sont nécessaires afin d'optimiser cette conversion. Le platine joue un rôle central dans la réaction de réduction de l'oxygène.
A la recherche d'une solution idéale, l'équipe a créé un modèle informatique du système complet. La question centrale :quelle peut être la taille d'un amas d'atomes de platine tout en ayant un effet catalytique hautement actif ? "Il s'avère qu'il existe certaines tailles optimales pour les piles de platine, " explique Fischer.
Une équipe de recherche interdisciplinaire de l'Université technique de Munich (TUM) a réussi à optimiser la taille des nanoparticules de platine pour la catalyse des piles à combustible afin que les nouveaux catalyseurs soient deux fois plus performants que les meilleurs procédés actuellement disponibles dans le commerce. Les nanoparticules de platine à 40 atomes présentent l'activité la plus élevée. Crédit :Batyr Garlyyev / TUM
Les particules mesurant environ un nanomètre et contenant environ 40 atomes de platine sont idéales. "Les catalyseurs au platine de cet ordre de taille ont un petit volume mais un grand nombre de spots très actifs, entraînant une activité de masse élevée, " dit Bandarenka.
Collaboration interdisciplinaire
La collaboration interdisciplinaire au Catalysis Research Center (CRC) a été un facteur important dans les résultats de l'équipe de recherche. Combinant des capacités théoriques en modélisation, les discussions conjointes et les connaissances physiques et chimiques acquises à partir des expériences ont finalement abouti à un modèle montrant comment les catalyseurs peuvent être conçus avec la forme idéale, taille et distribution de taille des composants impliqués.
En outre, le CRC possède également l'expertise nécessaire pour créer et tester expérimentalement les nano-catalyseurs de platine calculés. "Cela demande beaucoup en termes d'art de la synthèse inorganique, " dit Kathrin Kratzl, avec Batyr Garlyyev et Marlon Rück, l'un des trois auteurs principaux de l'étude.
Deux fois plus efficace que le meilleur catalyseur conventionnel
L'expérience a confirmé exactement les prédictions théoriques. "Notre catalyseur est deux fois plus efficace que le meilleur catalyseur conventionnel du marché, " dit Garlyev, ajoutant que cela n'est toujours pas adéquat pour des applications commerciales, puisque la réduction actuelle de 50 pour cent de la quantité de platine devrait passer à 80 pour cent.
En plus des nanoparticules sphériques, les chercheurs espèrent une activité catalytique encore plus élevée à partir de formes nettement plus complexes. Et les modèles informatiques établis dans le partenariat sont idéaux pour ce type de modélisation. "Néanmoins, des formes plus complexes nécessitent des méthodes de synthèse plus complexes, " dit Bandarenka. Cela rendra les études computationnelles et expérimentales de plus en plus importantes à l'avenir.
