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    Les scientifiques des matériaux créent du cobalt plus fort pour les piles à combustible

    Crédit :Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique

    Une équipe de recherche multi-institutionnelle dirigée par des scientifiques des matériaux du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) a conçu un catalyseur hautement actif et durable qui ne repose pas sur du platine coûteux pour stimuler la réaction chimique nécessaire.

    Le nouveau catalyseur contient du cobalt parsemé d'azote et de carbone. Comparé à un catalyseur de structure similaire fabriqué à partir de fer, un autre élément prometteur, substitut de platine bien étudié, l'équipe a découvert que le catalyseur au cobalt a obtenu une réaction similaire mais avec une durabilité quatre fois supérieure.

    Les recherches de l'équipe, ce qui est prometteur pour les piles à combustible dans les transports, a été publié le 30 novembre numéro 2020 de Catalyse naturelle .

    Chercher un remplacement pour le platine coûteux

    Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (ou PEM) sont généralement conçues pour être associées à de l'hydrogène pour de multiples applications dans différents secteurs, y compris le transport, alimentation stationnaire et de secours, fabrication de métaux, et plus. Ces très efficaces, les dispositifs de conversion d'énergie propre nécessitent des catalyseurs très actifs pour la réaction chimique - la réaction de réduction de l'oxygène, ou « l'élément vital » qui fait fonctionner efficacement une pile à combustible.

    Les métaux du groupe du platine constituent le matériau catalytique le plus productif pour les piles à combustible PEM, mais ils représentent environ la moitié du coût des piles à combustible.

    Les scientifiques étudient donc les métaux de transition comme le fer comme alternative prometteuse au platine, mais ils ont découvert qu'ils se dégradent rapidement dans l'environnement acide des piles à combustible PEM.

    L'expertise et les capacités du PNNL ont contribué à améliorer l'activité et la durabilité d'un catalyseur à base de cobalt. Crédit :Andrea Starr | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

    Entrez cobalt, un métal de transition qui est, par rapport au platine, peu coûteux et abondant. Des études antérieures avaient montré que le cobalt est beaucoup moins actif que les catalyseurs à base de fer.

    "Nous savions que la configuration du cobalt avec de l'azote et du carbone était la clé de l'efficacité avec laquelle le catalyseur réagit et que la densité du site actif était d'une importance critique pour les performances, " a déclaré Yuyan Shao, scientifique des matériaux du PNNL, qui a dirigé l'étude. "Notre objectif était d'améliorer réellement l'activité de réaction des catalyseurs à base de cobalt."

    Clôture dans les atomes

    L'équipe a immobilisé des molécules à base de cobalt dans les micropores de charpentes d'imidazolate zéolitique, qui servaient de barrières de protection pour diminuer la mobilité des atomes de cobalt et les empêcher de se regrouper. Ils ont ensuite utilisé la pyrolyse à haute température pour convertir les atomes en sites catalytiquement actifs dans le cadre.

    Au sein de cette structure, ils ont découvert que la densité des sites actifs augmentait significativement, à son tour augmentant l'activité de réaction. Cette, En réalité, atteint l'activité la plus élevée dans les piles à combustible signalée pour le non-fer, catalyseurs sans métal du groupe du platine à ce jour.

    L'équipe a également découvert que le catalyseur à base de cobalt était beaucoup plus durable que le catalyseur à base de fer synthétisé en utilisant la même approche. Ils ont découvert, pour la première fois, différences significatives dans la démétallisation, où les ions métalliques sont lixiviés hors du catalyseur et ce catalyseur perd alors son activité. Ils ont également découvert que les radicaux oxygène du peroxyde d'hydrogène, un sous-produit de la réduction de l'oxygène dans les piles à combustible, attaquer les catalyseurs et provoquer une perte de performance.

    Haute activité, une plus grande durabilité

    "À la fin, nous avons pu non seulement améliorer l'activité du catalyseur à base de cobalt, mais nous avons considérablement amélioré la durabilité, ", a déclaré Shao. "Notre enquête plus approfondie nous a conduits à découvrir les mécanismes qui dégradent généralement ces types de catalyseurs."


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