Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) sont une technologie de stockage d'énergie qui contribuera à réduire l'empreinte environnementale des transports. Ces piles à combustible utilisent une réaction chimique connue sous le nom de réduction de l'oxygène. Cette réaction a besoin d'un catalyseur à faible coût pour des applications commerciales répandues. Le carbone dopé à l'azote est l'un de ces catalyseurs, mais les détails chimiques du fonctionnement du dopage à l'azote sont plutôt controversés. Ces connaissances sont importantes pour améliorer le fonctionnement des piles à combustible PEM dans les technologies futures.

Dans une étude publiée récemment dans Angewandte Chemie Édition internationale, des chercheurs de l'Université de Tsukuba ont rapporté des détails chimiques pour optimiser la réaction de réduction de l'oxygène dans les piles à combustible PEM dans des conditions acides. Cette configuration aide le catalyseur au carbone à adsorber l'oxygène d'une manière qui permet à la pile à combustible de fonctionner.

L'azote peut adopter diverses configurations de liaison, comme la pyridinique, dans les catalyseurs au carbone dopé à l'azote. Pendant des années, les chercheurs ont tenté de déterminer quelles configurations de liaison sont à l'origine de l'activité électrolytique dans les piles à combustible PEM. Les résultats de telles études peuvent ne pas être clairs à moins que les mécanismes de réaction ne soient clarifiés avec une liaison contrôlée et une orientation cristallographique de l'atome d'azote sur les catalyseurs.

"Nous avons déposé sept molécules azotées sur un catalyseur de noir de carbone paracristallin pour fabriquer des catalyseurs modèles aux structures homogènes, ", explique l'auteur principal, le professeur Kotaro Takeyasu. "Nous avons constaté que 1, 10-phénanthroline, avec deux atomes d'azote pyridinique aux bords du fauteuil du catalyseur, avait l'activité la plus élevée par rapport à la densité de courant."

L'acide sulfurique acidifie complètement les atomes d'azote dans le catalyseur. Lors de l'application d'une tension appropriée dans des conditions saturées en oxygène, les atomes d'azote protonés dans le catalyseur ont été réduits. Cela était attribuable à l'adsorption simultanée d'oxygène, car il n'y a pas eu de réduction des conditions de saturation en azote.

"Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité indiquent également que l'adsorption d'oxygène favorise la réduction des atomes d'azote entièrement protonés, " explique l'auteur principal, Professeur Junji Nakamura. "Ainsi, l'oxygène absorbe sur le catalyseur et en même temps, les atomes d'azote sont réduits pour des cycles catalytiques supplémentaires."

Les piles à combustible PEM actuelles utilisent des catalyseurs au platine. Le platine étant un métal rare, ce n'est pas une option réaliste pour des applications commerciales à long terme. Ainsi, les catalyseurs au platine ne permettront pas aux piles à combustible PEM de contribuer à une économie bas carbone. Les résultats décrits ici aideront les chercheurs à améliorer les performances des catalyseurs à base de carbone pour les piles à combustible PEM et à améliorer la durabilité des transports.