Dégradation du platine, utilisé comme matériau d'électrode clé dans l'économie de l'hydrogène, raccourcit considérablement la durée de vie des dispositifs électrochimiques de conversion d'énergie, comme les piles à combustible. Pour la première fois, les scientifiques ont élucidé les mouvements des atomes de platine qui conduisent à la dégradation de la surface du catalyseur. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans Catalyse naturelle .

Depuis plus d'un demi-siècle, le platine est connu comme l'un des meilleurs catalyseurs pour la réduction de l'oxygène, l'une des réactions clés dans les piles à combustible. Cependant, il est difficile de répondre à la forte activité et à la stabilité à long terme des catalyseurs nécessaires au déploiement massif de la technologie hydrogène dans le secteur des transports.

Des scientifiques dirigés par l'Université de Kiel (Allemagne), en collaboration avec l'ESRF, Université de Victoria (Canada), Université de Barcelone (Espagne) et Forschungszentrum Jülich (Allemagne), ont maintenant découvert pourquoi et comment le platine se dégrade. "Nous avons proposé une image atomistique pour l'expliquer, " dit Olaf Magnussen, professeur à l'Université de Kiel et auteur correspondant de l'article.

Pour y parvenir, l'équipe s'est rendue sur la ligne ID31 de l'ESRF pour étudier les différentes facettes des électrodes de platine en solution électrolytique. Ils ont découvert comment les atomes s'organisent et se déplacent à la surface au cours des processus d'oxydation, la principale réaction responsable de la dissolution du platine.

Les découvertes ouvrent les portes de l'ingénierie atomistique :« Avec ces nouvelles connaissances, on peut imaginer cibler certaines formes et agencements de surface de nanoparticules pour améliorer la stabilité du catalyseur. Nous pouvons également trouver comment les atomes se déplacent, donc nous pourrions potentiellement ajouter des additifs de surface pour supprimer les atomes se déplaçant dans le mauvais sens, " explique Jakub Drnec, scientifique de la ligne ID31 et co-auteur de l'étude.

Le fait que les expériences aient eu lieu dans des conditions électrochimiques similaires à ce qui se passe dans l'appareil réel a été essentiel pour traduire les résultats en technologie de pile à combustible. "Parce que la surface du platine change rapidement pendant l'oxydation, ces mesures ne sont devenues possibles que grâce à une nouvelle, technique très rapide pour la caractérisation de la structure de surface. Cette méthode, diffraction des rayons X de surface à haute énergie, a été co-développé à l'ESRF, " explique Timo Fuchs, de l'Université de Kiel et co-auteur de l'étude. "Et c'est, En réalité, la seule technique qui puisse fournir ce genre d'informations dans l'environnement réel, " ajoute-t-il. Il s'agit de la première publication où les mouvements atomiques ont été déterminés par la technique dans de telles conditions.

Cette recherche doit son succès à la combinaison des mesures de rayons X à l'ESRF avec des mesures de dissolution très sensibles effectuées au Forschungszentrum Jülich et des simulations informatiques avancées. "Seule une telle combinaison de différentes techniques de caractérisation et de calculs théoriques fournit une image complète de ce qui se passe avec les atomes à l'échelle nanométrique dans un catalyseur au platine, " dit Federico Calle-Vallejo de l'Université de Barcelone, en charge des simulations.

La prochaine étape pour l'équipe est de poursuivre les expériences qui donnent un aperçu des mécanismes de dégradation d'autres facettes du modèle imitant les bords et les coins des particules de catalyseur. Ces résultats fourniront une carte de la stabilité du platine dans des conditions de réaction et permettront aux chercheurs de développer des stratégies rationnelles pour la conception de catalyseurs plus stables à l'avenir.