Les piles à combustible et les électrolyseurs à eau qui sont bon marché et efficaces formeront la pierre angulaire d'une économie basée sur l'hydrogène, qui est l'une des alternatives propres et durables les plus prometteuses aux combustibles fossiles. Ces appareils reposent sur des matériaux appelés électrocatalyseurs pour fonctionner, le développement de catalyseurs efficaces et peu coûteux est donc essentiel pour faire de l'hydrogène une alternative viable. Des chercheurs de l'université d'Aalto ont développé un nouveau matériau catalyseur pour améliorer ces technologies.

La réaction de réduction de l'oxygène (ORR) et la réaction de dégagement d'oxygène (OER) sont les réactions électrochimiques les plus importantes qui limitent l'efficacité des piles à combustible à hydrogène (pour l'alimentation des véhicules et la production d'électricité), électrolyseurs d'eau (pour la production d'hydrogène propre), et des batteries métal-air haute capacité. Des physiciens et chimistes d'Aalto collaborant avec des chercheurs du CNRS France, et Vienne en Autriche ont développé un nouveau catalyseur qui entraîne ces réactions plus efficacement que les autres catalyseurs bifonctionnels actuellement disponibles. Les chercheurs ont également découvert que l'activité électrocatalytique de leur nouveau catalyseur peut être considérablement modifiée selon le choix du matériau sur lequel le catalyseur a été déposé.

"Nous voulons remplacer les catalyseurs traditionnels chers et rares à base de métaux précieux comme le platine et l'iridium par des alternatives hautement actives et stables composées d'éléments bon marché et abondants en terre tels que les métaux de transition, du carbone et de l'azote. » déclare le Dr Mohammad Tavakkoli, le chercheur d'Aalto qui a dirigé les travaux et rédigé l'article.

En collaboration avec le CNRS, l'équipe a produit un hybride graphène-nanotube de carbone hautement poreux et l'a dopé avec des atomes uniques d'autres éléments connus pour faire de bons catalyseurs. Le graphène et les nanotubes de carbone (CNT) sont les allotropes bidimensionnels et unidimensionnels du carbone, d'une épaisseur d'un atome, respectivement, qui ont suscité un énorme intérêt dans les universités et l'industrie en raison de leurs propriétés exceptionnelles par rapport aux matériaux plus traditionnels. Ils ont développé une méthode simple et évolutive pour faire croître ces nanomatériaux en même temps, combinant leurs propriétés dans un seul produit. « Nous sommes l'une des équipes leaders au monde pour la synthèse évolutive de nanotubes de carbone à double paroi. L'innovation ici était de modifier notre processus de fabrication pour préparer ces échantillons uniques, " a déclaré le Dr Emmanuel Flahut, directeur de recherche au CNRS.

Dans ce processus en une seule étape, ils pourraient également doper le graphène avec des atomes uniques d'azote et/ou métalliques (cobalt et molybdène) comme stratégie prometteuse pour produire des catalyseurs à un seul atome (SAC). En science de la catalyse, le nouveau domaine des SAC avec des atomes métalliques isolés dispersés sur des supports solides a attiré une large attention de la recherche en raison de l'efficacité maximale d'utilisation des atomes et des propriétés uniques des SAC. Par rapport aux stratégies concurrentes de fabrication de SAC, la méthode utilisée par l'équipe Aalto &CNRS offre une méthode simple qui se déroule en une seule étape, maintenir les coûts bas.

Le substrat de catalyseur peut améliorer les performances

Les catalyseurs sont généralement déposés sur un substrat sous-jacent. Le rôle que joue ce substrat sur la réactivité finale du catalyseur est généralement négligé par les chercheurs, cependant pour ce nouveau catalyseur, les chercheurs ont remarqué que le substrat jouait un rôle important dans son efficacité. L'équipe a trouvé que la structure poreuse de leur matériau permet d'accéder à des sites catalytiques plus actifs formés à son interface avec le substrat, ils ont donc développé une nouvelle méthode d'analyse par microscopie électrochimique pour mesurer comment cette interface pourrait contribuer à catalyser la réaction et produire le catalyseur le plus efficace. Ils espèrent que leur étude des effets du substrat sur l'activité catalytique des matériaux poreux jette les bases de la conception rationnelle d'électrodes hautes performances pour les dispositifs d'énergie électrochimique et fournit des lignes directrices pour les études futures.