Les piles à combustible à hydrogène sont très prometteuses en tant que sources d'énergie durables et respectueuses de l'environnement pour alimenter les transports terrestres, aériens et maritimes. Mais les catalyseurs traditionnels utilisés pour provoquer des réactions chimiques dans les piles à combustible à hydrogène sont trop coûteux et inefficaces pour justifier un changement commercial à grande échelle des technologies existantes.

Dans une nouvelle recherche interdisciplinaire publiée dans ACS Catalysis , les scientifiques du Nord-Est ont identifié une nouvelle classe de catalyseurs qui, en raison de leur nature particulière de métal non noble, pourraient remplacer la norme à base de platine qui a empêché l'hydrogène de progresser dans le secteur des carburants.

"Nous passons rapidement aux modes de transport électriques et, à mon avis, les batteries ne sont qu'une phase de transition", déclare Sanjeev Mukerjee, éminent professeur de chimie et de biologie chimique à Northeastern, co-auteur de l'étude. "Ce n'est pas la solution ultime pour remplacer les combustibles fossiles."

C'est dans l'hydrogène, ou "porteurs d'hydrogène" - de plus grosses molécules dont l'hydrogène n'est qu'une partie - que se trouve la réponse, dit-il. L'élément le plus abondant dans l'univers, l'hydrogène agit comme vecteur d'énergie et peut être séparé de l'eau, des combustibles fossiles ou de la biomasse et exploité comme combustible. Les piles à combustible à hydrogène convertissent l'hydrogène en électricité; et contrairement au moteur à combustion interne, qui produit des sous-produits chimiques toxiques et cancérigènes, les piles à combustible à hydrogène ne produisent que de l'eau - de l'eau réellement potable - à la suite de la réaction chimique.

"Le plus gros goulot d'étranglement à l'heure actuelle est le premier :l'infrastructure pour le carburant, c'est-à-dire l'hydrogène ou un transporteur d'hydrogène ; et le deuxième est le coût élevé des catalyseurs, car l'état actuel de la technique nécessite des métaux nobles", a déclaré Mukerjee. . "Il y a donc un double effort pour à la fois réduire la charge de métaux nobles et trouver des catalyseurs plus durables en utilisant des éléments très abondants sur terre."

Les catalyseurs sont utilisés dans les piles à hydrogène pour accélérer le processus de conversion de l'énergie, appelé réaction de réduction de l'oxygène. Un catalyseur durable est un catalyseur qui est constitué de "matériaux abondants sur terre" et qui, lorsque de l'oxygène est introduit dans la réaction chimique, ne produit pas de carbone, explique Arun Bansil, professeur distingué de physique à Northeastern et co-auteur de la étude.

En l'occurrence, les chercheurs du Nord-Est se sont penchés sur une classe spécifique de catalyseurs, à savoir les "catalyseurs de fer coordonnés à l'azote", en tant que candidats potentiellement durables. Un catalyseur de fer coordonné à l'azote est défini moléculairement comme un atome de fer entouré de quatre atomes d'azote. Les atomes d'azote sont appelés "ligands", ou molécules qui se lient à un atome de métal central pour former un complexe plus grand.

"C'est une structure bien connue", dit Bansil. "Ce que nous avons montré de manière très concluante dans cet article, c'est qu'en ajoutant un cinquième ligand - c'est-à-dire quatre azotes plus un autre - cela peut conduire à un électrocatalyseur beaucoup plus stable et robuste, ouvrant ainsi un nouveau paradigme ou une nouvelle voie pour le rationnel. conception de cette classe de catalyseurs pour des applications dans les piles à combustible.

Bansil dit que le cinquième ligand améliore également la durabilité du catalyseur. The reason, he says, is "it appears that this fifth ligand manages to keep the iron in the plane of the iron-nitrogen when oxygen is added into this structure."

If the fifth ligand is not there, Bansil says, the iron is dislodged from the plane of the iron-nitrogen in many of these complexes when the oxygen is put in, thereby making the catalyst "less durable."

Researchers used X-ray emission spectroscopy and Mössbauer spectroscopy, techniques used in computational chemistry, to observe these effects.

"It's not enough to just know that something seems to be working better—it's important to know why it is working better," he says. "Because then we are in a position to develop improved materials through a rational design process."

Northeastern staff scientist Qingying Jia and Bernardo Barbiellini, a computational and theoretical physicist at the Lappeenranta University of Technology, who is currently visiting Northeastern, participated in the research.

The advancement represents several "firsts" in the field, Mukerjee says.

"The computational approach has helped us identify the catalytic sites as they evolve during preparation, and it also helped provide a picture of which of these [catalysts] are more stable," he says. + Explorer plus loin

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