L'oxygène menace les catalyseurs durables qui utilisent l'hydrogène pour produire de l'électricité dans les piles à combustible. Des chercheurs de Bochum et de Marseille ont développé un moyen de lutter contre cela.

Les catalyseurs efficaces pour convertir l'hydrogène en électricité dans les piles à combustible pour la transition énergétique reposent souvent sur des métaux rares comme le platine. L'utilisation de métaux moins chers et de composants biologiques qui fonctionnent tout aussi efficacement a jusqu'à présent raccourci la durée de vie des catalyseurs car ils sont sensibles à l'oxygène. Une équipe de recherche de Bochum et de Marseille a réussi à intégrer un tel catalyseur au sein d'un film protecteur extrêmement mince de briques moléculaires qui le protège de l'oxygène et rend ainsi sa durée de vie pratiquement infinie tout en maintenant sa capacité à fonctionner efficacement. L'équipe rapporte dans le Journal de l'American Chemical Society le 16 septembre 2019.

Les chercheurs dirigés par le professeur Nicolas Plumeré du pôle d'excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv) de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) ont travaillé sur cette étude avec le Dr Vincent Fourmond et le Dr Christophe Léger du Centre national de la recherche scientifique Marseille .

Les couches épaisses ne sont pas bonnes en pratique

Les équipes travaillent depuis un certain temps sur l'allongement de la durée de vie de biocatalyseurs efficaces contenant des hydrogénases sensibles à l'oxygène. "Nous avons développé un mécanisme d'autodéfense basé sur un film polymère conducteur il y a environ cinq ans, " explique Nicolas Plumeré. Les électrons produits lors de l'oxydation de l'hydrogène sont transportés à travers le film et réagissent avec l'oxygène, qui est ainsi éliminé avant de pouvoir atteindre l'intérieur du catalyseur, où se trouvent les enzymes sensibles à l'oxygène. "Toutefois, il n'était pas possible d'utiliser les catalyseurs en pratique, " précise le chercheur. " A plus de 100 micromètres, les films polymères étaient si épais qu'ils nuisaient à l'efficacité."

Dans les travaux en cours, les chercheurs montrent que, même dans un film polymère beaucoup plus fin, les hydrogénases sont à l'abri de l'oxygène. "Étonnamment, ces films, qui ne font que quelques micromètres d'épaisseur, sont encore plus robustes que les plus épaisses, " dit Nicolas Plumeré. 50 pour cent du catalyseur contribue désormais à la catalyse - le chiffre n'était que de 0,3 pour cent pour les films protecteurs plus épais.

Couche protectrice définie faite de minuscules sphères moléculaires

Les blocs de construction qui composent le film protecteur sont au cœur du nouveau développement. Pour ça, les chercheurs utilisent de minuscules sphères d'un diamètre de seulement cinq nanomètres, qui ont tous une structure identique, appelés dendrimères. Cela leur a permis de contrôler avec précision l'épaisseur de la couche résultante.

Les dendrimères peuvent transporter des électrons plus efficacement que les polymères utilisés précédemment. "Cette conductivité accrue signifie que les électrons se déplacent plus rapidement à travers le film et sont capables d'arrêter l'oxygène à une plus grande distance du catalyseur, " explique Plumeré.

22, 000 ans de catalyse efficace

Les chercheurs ont été surpris d'observer que l'épaisseur du film protecteur a un effet significatif sur la durée de vie du catalyseur :dans un film de trois micromètres d'épaisseur, un catalyseur ne survit en présence d'oxygène qu'une dizaine de minutes. Si le film a une épaisseur de six micromètres, la durée de vie peut être prolongée jusqu'à un an dans les mêmes conditions. "Encore deux micromètres d'épaisseur prolongent théoriquement la durée de vie du catalyseur à 22, 000 ans, " disent les chercheurs, étonné.

L'aide de voisinage prolonge la vie

L'équipe a également été surprise que le film protecteur éloigne non seulement les molécules d'oxygène nocives, mais est même capable de réactiver un catalyseur qui n'est plus fonctionnel en lui fournissant des électrons d'un catalyseur actif voisin. « En d'autres termes :les catalyseurs de ce film protecteur ne se protègent pas seulement, mais aussi les uns les autres, " résume Plumeré. Cette propriété permet également aux catalyseurs d'avoir une durée de vie infinie dans des couches protectrices d'à peine trois micromètres d'épaisseur.

"Cette extrême longévité nous rapproche un peu plus de l'utilisation de ces biocatalyseurs sensibles à l'oxygène dans les piles à combustible, ", précise l'équipe de recherche.