Un chercheur postdoctoral tenace a persuadé le professeur Marc Koper de faire des recherches sur la réaction de réduction de l'oxygène. Aux yeux de Koper, il y avait là peu d'intérêt. Mais ils ont rapidement découvert une toute nouvelle façon d'améliorer les piles à combustible à l'hydrogène et à l'oxygène. Leur article est paru dans Nature Catalysis le 7 juillet.

Il y a peu de voitures à hydrogène qui circulent aux Pays-Bas :l'une d'entre elles, une Toyota Mirai, appartient au directeur de Shell Nederland, Marjan van Loon. Marc Koper, professeur de catalyse et de chimie de surface, a déclaré :"Elle est l'une des rares à pouvoir faire le plein d'hydrogène aux Pays-Bas, chez Shell à Amsterdam."

Toyota travaille sur des piles à combustible meilleures et plus efficaces, afin de pouvoir introduire la conduite à l'hydrogène à grande échelle. Mais la technologie n'a pas encore avancé aussi loin, car il y a deux problèmes majeurs. Premièrement, trop de platine, un métal rare, est nécessaire dans les piles à combustible. Deuxièmement, la partie de la réaction qui convertit l'oxygène en eau, la réaction dite de réduction de l'oxygène, doit devenir plus efficace.

On pensait qu'une liaison à l'oxygène plus faible était le seul bouton à tourner

Pendant des années, les chercheurs ont pensé qu'il n'y avait qu'une seule façon de rendre la réduction d'oxygène plus efficace. Dans la pile à combustible à deux pôles - l'anode et la cathode - cette réaction a lieu sur la cathode sur laquelle se trouvent de nombreuses petites particules de platine. L'oxygène s'y décompose en atomes d'oxygène liés au platine. Ces atomes réagissent ensuite davantage pour former le produit final, l'eau.

Koper :"La théorie actuelle est qu'il faut chercher une cathode qui retienne un peu moins fortement les atomes d'oxygène. Et aussi, que c'est le seul bouton que l'on peut tourner pour faciliter la réduction de l'oxygène. Toyota utilise une cathode qui contient platine et un peu de cobalt. Ce cobalt aide à affaiblir la liaison de l'oxygène au platine. Cette théorie fonctionne donc bien."

Koper est l'un des scientifiques les plus cités au monde, a reçu de nombreuses subventions et a reçu le prix scientifique néerlandais le plus important et le plus prestigieux en 2021. Il a reçu le prix Spinoza de 2,5 millions d'euros en partie parce que ses recherches peuvent contribuer à la transition énergétique. Il étudie comment l'énergie électrique peut aider à fabriquer ou à décomposer des composés chimiques. Cela vous permettrait de stocker de l'énergie verte, de sorte que vous puissiez l'économiser lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent tombe.

Mais ce n'est pas ce qui intéresse Koper

Koper est honnête sur ses motivations :elles ne sont pas liées à l'amélioration du monde. "Je veux comprendre au niveau atomique ce qui se passe lorsque vous envoyez de l'électricité à travers une cellule électrochimique", a-t-il déclaré dans une interview à l'occasion de son prix Spinoza. La recherche d'une meilleure cathode pour lier moins fortement l'oxygène n'est pas si excitante pour lui, quelle que soit l'importance du problème. "À mon avis, il n'y a pas grand-chose à gagner scientifiquement à affiner la cathode avec le meilleur rapport cobalt/platine."

Mais ensuite, le postdoc Mingchuan Luo est venu travailler pour Koper. "Il a insisté pour travailler sur la réduction de l'oxygène." Koper propose alors de découvrir ce qui se passe si l'on joue avec la composition de l'électrolyte, le milieu qui sépare l'anode de la cathode. L'électrolyte contient une certaine concentration d'ions chargés négativement :les anions. Luo a expérimenté différentes concentrations d'anions.

Ils ont découvert un nouveau bouton à tourner

Koper :« Nous avons alors découvert que la réduction de l'oxygène va parfois plus vite que prévu, même si la liaison de l'oxygène à la cathode semble plus forte. L'idée dominante selon laquelle on ne peut obtenir une réduction de l'oxygène plus efficace qu'avec une liaison à l'oxygène plus faible est donc incorrecte. semble que ces anions dans l'électrolyte influencent un autre processus dans la réaction de réduction de l'oxygène. À savoir :la facilité avec laquelle ces atomes d'oxygène liés au platine sont convertis en hydroxyde (OH-), la dernière étape avant de faire de l'eau. Cela nous donne un nouveau bouton pour virage, qui est fondamentalement différent de l'habituel."

Ainsi, au lieu d'une seule voie vers des piles à hydrogène plus efficaces, il y en a au moins deux. C'est très intéressant pour Koper, qui veut surtout comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire et pourquoi ces anions jouent un rôle si important. Ses collègues de Toyota le trouveront également intéressant, même s'ils ne peuvent pas faire de grands progrès tout de suite. "Pour le moment, cette nouvelle vision soulève principalement de nouvelles questions. Nous devons maintenant aller découvrir exactement ce qui se passe." + Explorer plus loin

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