Seung Bientôt Jang, un professeur agrégé, Faisal Alamgir, un professeur agrégé, et Ji Il Choi, un chercheur postdoctoral, tous à l'école de science et d'ingénierie des matériaux de Georgia Tech, examiner un morceau de catalyseur platine-graphène. Crédit :Allison Carter
Des films de platine de seulement deux atomes d'épaisseur supportés par du graphène pourraient permettre des catalyseurs de piles à combustible avec une activité catalytique et une longévité sans précédent, selon une étude publiée récemment par des chercheurs du Georgia Institute of Technology.
Le platine est l'un des catalyseurs les plus couramment utilisés pour les piles à combustible en raison de l'efficacité avec laquelle il permet la réaction d'oxydoréduction au centre de la technologie. Mais son coût élevé a stimulé les efforts de recherche pour trouver des moyens d'en utiliser de plus petites quantités tout en maintenant la même activité catalytique.
"Il y aura toujours un coût initial pour produire une pile à combustible avec des catalyseurs au platine, et il est important de maintenir ce coût aussi bas que possible, " dit Fayçal Alamgir, professeur agrégé à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech. "Mais le coût réel d'un système de pile à combustible est calculé en fonction de la durée de vie de ce système, et c'est une question de durabilité.
"Récemment, il y a eu une poussée pour utiliser des systèmes catalytiques sans platine, mais le problème est qu'il n'y a pas eu de système proposé jusqu'à présent qui corresponde simultanément à l'activité catalytique et à la durabilité du platine, " a déclaré Alamgir.
Les chercheurs de Georgia Tech ont essayé une stratégie différente. Dans l'étude, qui a été publié le 18 septembre dans la revue Matériaux fonctionnels avancés et soutenu par la National Science Foundation, ils décrivent la création de plusieurs systèmes utilisant des films de platine atomiquement minces soutenus par une couche de graphène, maximisant efficacement la surface totale du platine disponible pour les réactions catalytiques et utilisant une quantité beaucoup plus petite de métal précieux.
La plupart des systèmes catalytiques à base de platine utilisent des nanoparticules du métal chimiquement liées à une surface de support, où les atomes de surface des particules font la plupart du travail catalytique, et le potentiel catalytique des atomes sous la surface n'est jamais utilisé aussi pleinement que les atomes de surface, si pas du tout.
Ce graphique montre comment la couche de graphène en gris fournit structure et stabilité aux deux couches atomiques de platine ci-dessus représentées en bleu. Crédit :Ji Il Choi
En outre, les chercheurs ont montré que les nouveaux films de platine d'au moins deux atomes d'épaisseur surpassaient les nanoparticules de platine dans l'énergie de dissociation, qui est une mesure du coût énergétique du délogement d'un atome de platine en surface. Cette mesure suggère que ces films pourraient constituer des systèmes catalytiques potentiellement plus durables.
Pour préparer les films atomiquement minces, les chercheurs ont utilisé un processus appelé dépôt de couche atomique électrochimique pour faire croître des monocouches de platine sur une couche de graphène, créer des échantillons qui en avaient un, deux ou trois couches atomiques d'atomes. Les chercheurs ont ensuite testé les échantillons pour l'énergie de dissociation et comparé les résultats à l'énergie d'un seul atome de platine sur le graphène ainsi qu'à l'énergie d'une configuration commune de nanoparticules de platine utilisées dans les catalyseurs.
"La question fondamentale au cœur de ce travail était de savoir s'il était possible qu'une combinaison de liaisons métalliques et covalentes puisse rendre les atomes de platine dans une combinaison platine-graphene plus stables que leurs homologues dans le platine en vrac utilisé couramment dans les catalyseurs qui sont supportés par liaison métallique, " a déclaré Seung Soon Jang, professeur agrégé à l'École des sciences et de l'ingénierie des matériaux.
Les chercheurs ont découvert que la liaison entre les atomes de platine voisins dans le film combine essentiellement des forces avec la liaison entre le film et la couche de graphène pour renforcer le système. C'était particulièrement vrai dans le film de platine qui avait deux atomes d'épaisseur.
"Les films typiquement métalliques en dessous d'une certaine épaisseur ne sont pas stables car les liaisons entre eux ne sont pas directionnelles, et ils ont tendance à se rouler les uns sur les autres et à s'agglomérer pour former une particule, " Alamgir a déclaré. "Mais ce n'est pas vrai avec le graphène, qui est stable sous une forme bidimensionnelle, même un atome d'épaisseur, car il a des liaisons directionnelles covalentes très fortes entre ses atomes voisins. Ainsi, ce nouveau système catalytique pourrait tirer parti de la liaison directionnelle du graphène pour supporter un film de platine atomiquement mince. »
Les recherches futures impliqueront des tests supplémentaires sur le comportement des films dans un environnement catalytique. The researchers found in earlier research on graphene-platinum films that the material behaves similarly in catalytic reactions regardless of which side—graphene or platinum—is the exposed active surface.
"In this configuration, the graphene is not acting as a separate entity from the platinum, " Alamgir said. "They're working together as one. So we believe that if you're exposing the graphene side, you get the same catalytic activity and you could further protect the platinum, potentially further enhancing durability."
