Les véhicules alimentés par des piles à combustible à membrane électrolytique polymère (PEMFC) sont économes en énergie et respectueux de l'environnement, mais malgré l'intérêt croissant du public pour les transports alimentés par PEMFC, Les performances actuelles des matériaux utilisés dans les piles à combustible limitent leur commercialisation à grande échelle.

Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont dirigé une équipe pour étudier les réactions dans les PEMFC, et leurs découvertes ont éclairé la création d'une technologie qui pourrait rapprocher les piles à combustible de leur plein potentiel commercial.

Les PEMFC utilisent l'hydrogène comme carburant, qui est oxydé côté anode de la cellule par une réaction d'oxydation de l'hydrogène, tandis que l'oxygène de l'air est utilisé pour une réaction de réduction de l'oxygène (ORR) à la cathode. Grâce à ces processus, les piles à combustible produisent de l'électricité pour alimenter les moteurs électriques des véhicules et d'autres applications, émettant de l'eau comme seul sous-produit.

À base de platine, les particules de taille nanométrique sont les matériaux les plus efficaces pour favoriser les réactions dans les piles à combustible, y compris l'ORR dans la cathode. Cependant, en plus de leur coût élevé, les nanoparticules de platine souffrent d'une dégradation progressive, surtout dans la cathode, ce qui limite les performances catalytiques et réduit la durée de vie de la pile à combustible.

L'équipe de recherche, qui comprenait le laboratoire national d'Oak Ridge du DOE et plusieurs partenaires universitaires, a utilisé une nouvelle approche pour examiner les processus de dissolution du platine aux niveaux atomique et moléculaire. L'enquête leur a permis d'identifier le mécanisme de dégradation lors de l'ORR cathodique, et les connaissances ont guidé la conception d'un nanocatalyseur qui utilise de l'or pour éliminer la dissolution du platine.

"La dissolution du platine se produit à l'échelle atomique et moléculaire lors de l'exposition à l'environnement hautement corrosif des piles à combustible, " a déclaré Vojislav Stamenkovic, un scientifique principal et chef de groupe pour le groupe de conversion et de stockage d'énergie dans la division des sciences des matériaux (MSD) d'Argonne. « Cette dégradation de matière affecte le fonctionnement à long terme de la pile à combustible, présentant un obstacle à la mise en œuvre de la pile à combustible dans les transports, en particulier dans les applications lourdes telles que les camions longue distance."

Commencer petit

Les scientifiques ont utilisé une gamme d'outils de caractérisation personnalisés pour étudier la dissolution de structures de platine bien définies dans des surfaces monocristallines, films minces et nanoparticules.

« Nous avons développé des capacités d'observation des processus à l'échelle atomique pour comprendre les mécanismes responsables de la dissolution et identifier les conditions dans lesquelles elle se produit, " dit Pietro Papa Lopes, un scientifique du MSD d'Argonne et premier auteur de l'étude. « Ensuite, nous avons mis en œuvre ces connaissances dans la conception des matériaux pour atténuer la dissolution et augmenter la durabilité. »

L'équipe a étudié la nature de la dissolution au niveau fondamental à l'aide d'outils spécifiques à la surface, méthodes électrochimiques, plasma à couplage inductif spectrométrie de masse, modélisation numérique et force atomique, à effet tunnel et microscopies à transmission haute résolution.

En outre, les scientifiques se sont appuyés sur une approche de synthèse de haute précision pour créer des structures aux propriétés physiques et chimiques bien définies, s'assurer que les relations entre la structure et la stabilité découvertes à partir de l'étude des surfaces 2D ont été transférées aux nanoparticules 3D qu'elles ont produites.

"Nous avons effectué ces études - à partir de monocristaux, aux films minces, aux nanoparticules, qui nous ont montré comment synthétiser des catalyseurs au platine pour augmenter la durabilité, " dit Lopes, " et en regardant ces différents matériaux, nous avons également identifié des stratégies d'utilisation de l'or pour protéger le platine."

Vers l'or

Alors que les scientifiques découvraient la nature fondamentale de la dissolution en observant son apparition dans plusieurs scénarios de banc d'essai, l'équipe a utilisé les connaissances pour atténuer la dissolution avec l'ajout d'or.

Les chercheurs ont utilisé les capacités de microscopie électronique à transmission du Center for Nanoscale Materials d'Argonne et du Center for Nanophase Materials Sciences du Oak Ridge National Laboratory (tous deux du DOE Office of Science User Facilities) pour imager les nanoparticules de platine après synthèse et avant et après opération. Cette technique a permis aux scientifiques de comparer la stabilité des nanoparticules avec et sans or incorporé.

L'équipe a découvert que le placement contrôlé de l'or dans le noyau favorise la disposition du platine dans une structure de surface optimale qui garantit une stabilité élevée. En outre, l'or a été déposé sélectivement à la surface pour protéger des sites spécifiques que l'équipe a identifiés comme particulièrement vulnérables à la dissolution. Cette stratégie élimine la dissolution du platine même des plus petites nanoparticules utilisées dans cette étude en maintenant les atomes de platine attachés aux sites où ils peuvent encore catalyser efficacement l'ORR.

Compréhension au niveau atomique

Comprendre les mécanismes de dissolution au niveau atomique est essentiel pour découvrir la corrélation entre la perte de platine, structure de surface et taille et rapport des nanoparticules de platine, et déterminer comment ces relations affectent le fonctionnement à long terme.

"La partie originale de cette recherche est de résoudre les mécanismes et d'atténuer complètement la dissolution du platine par la conception de matériaux à différentes échelles, des monocristaux et films minces aux nanoparticules, " a déclaré Stamenkovic. " Ce sont les connaissances que nous avons acquises en conjonction avec la conception et la synthèse d'un nanomatériau qui résout les problèmes de durabilité dans les piles à combustible, ainsi que la capacité de délimiter et de quantifier la dissolution du catalyseur au platine à partir d'autres processus qui contribuent à la dégradation des performances des piles à combustible. »

L'équipe développe également un algorithme de vieillissement prédictif pour évaluer la durabilité à long terme des nanoparticules à base de platine et a constaté une amélioration de la durabilité de 30 fois par rapport aux nanoparticules sans or.

Un article sur l'étude, intitulé "Éliminer la dissolution des électrocatalyseurs à base de platine à l'échelle atomique, " a été publié le 20 juillet dans Matériaux naturels .