Les piles à combustible, en raison de leur efficacité élevée et de leurs attributs respectueux de l'environnement dans le processus de production d'électricité, gagnent en popularité pour la production de véhicules à pile à combustible (FCV), tels que les automobiles, les chariots élévateurs, les bus et les avions. Cependant, la nature coûteuse de la production de catalyseurs pour piles à combustible empêche la production de masse et l'application à grande échelle des FCV.

Les catalyseurs de pile à combustible sont généralement constitués de platine (Pt) ou d'alliages de Pt avec des métaux de transition en couche mince sur les supports de carbone poreux. Le platine est un matériau catalytique idéal car il peut résister aux conditions acides et augmenter efficacement la vitesse des réactions chimiques. Cependant, il est coûteux et dispose de réserves de ressources insuffisantes. Par conséquent, il est impératif de développer et de cribler de nouveaux catalyseurs avec une faible quantité de Pt et une activité catalytique élevée pour la commercialisation des piles à combustible.

Dans un Science article publié le 22 octobre, des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences (CAS) ont rapporté une méthode d'ancrage au soufre de nanoparticules intermétalliques de Pt de petite taille à haute température (i -NP) catalyseurs avec une charge en Pt ultrafaible et une activité massique élevée. Ils ont également créé des bibliothèques d'i-NP, comprenant 46 types de nanoparticules de Pt (NP) pour cribler des matériaux d'électrode peu coûteux et durables, ainsi que pour explorer systématiquement les relations structure-activité des i-NP.

Les I-NP ont attiré une grande attention en raison de leurs propriétés atomiques uniques et de leurs excellentes performances catalytiques dans de nombreuses réactions chimiques. Cependant, le frittage inévitable du métal à haute température n'est pas souhaité lors de la synthèse des i-NP, car il conduira à des cristallites plus gros. Ainsi, cela entraîne une diminution de la surface spécifique et des activités catalytiques des matériaux, et réduit finalement le taux d'utilisation du Pt, augmentant ainsi considérablement le coût des piles à combustible.

L'équipe de recherche, dirigée par Liang Haiwei, a ingénieusement utilisé une forte interaction chimique Pt-soufre. Ils ont préparé des intermétalliques Pt sur des supports de carbone dopé au soufre (S-C) afin de supprimer le frittage des NP à haute température, et ils ont pu obtenir des i-NP ordonnés atomiquement avec une taille moyenne <5 nm. Les supports S-C ont montré une excellente capacité anti-frittage, et les chercheurs ont obtenu des NP de Pt avec un diamètre moyen toujours <5 nm après recuit à des températures élevées jusqu'à 1000 C. Cependant, un frittage sévère de Pt a été observé après le même processus de recuit sur des supports de noir de carbone commerciaux.

Pour tirer parti de la propriété anti-frittage, les chercheurs ont synthétisé 46 types d'i-NP à base de Pt de petite taille sur des supports S-C et ont établi des bibliothèques d'i-NP. Les caractérisations spectrales ont été mesurées et les résultats ont vérifié les fortes interactions chimiques des liaisons Pt-S. De plus, les résultats de la diffraction des rayons X (XRD) ont montré un degré d'ordre élevé et une petite taille des catalyseurs i-NP dans les bibliothèques, ce qui est cohérent avec l'analyse statistique de la microscopie électronique à transmission à balayage à champ noir annulaire à angle élevé (HAADF-STEM) observations.

"Sur la base des bibliothèques i-NP, nous pouvons étudier systématiquement la relation entre la structure et les performances des catalyseurs", a déclaré Liang, "et des échantillons suffisants nous ont aidés à éliminer les catalyseurs efficaces qui devaient réduire considérablement le coût des piles à combustible." Les chercheurs ont criblé les i-NP et les ont appliqués aux piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Ces catalyseurs ont présenté d'excellentes performances électrocatalytiques pour la réaction de réduction de l'oxygène (ORR). Surtout en H₂ -air PEMFC, bien que la charge en Pt des i-NPs soit 11,5 fois inférieure à celle de la cathode Pt/C, les cathodes des catalyseurs i-NP ont montré une capacité similaire à la cathode Pt/C.

Ce travail fournit une voie universelle pour la synthèse de catalyseurs en alliage de Pt utilisés dans les piles à combustible à hydrogène. Cette méthode laisse espérer une réduction de la quantité de Pt utilisée, diminuant ainsi le coût des piles à combustible. "En concevant les structures poreuses et les fonctionnalités de surface des supports en carbone, l'efficacité des piles à combustible peut être encore améliorée, accélérant ainsi leur transfert du laboratoire au public", a déclaré Liang.