Toutefois, les piles à combustible reposent sur une réaction électrochimique plutôt que sur une combustion, produisant ainsi une énergie sans carbone. L’un des obstacles à la mise à l’échelle de cette technologie pour qu’elle devienne commercialement viable est la dépendance actuelle à l’égard des métaux du groupe du platine (MGP) comme catalyseurs. En raison de leur coût élevé et de leur offre limitée, les PGM représentent souvent 46 % du coût de production des piles à combustible.

Pour aider à relever ce défi particulier, des chercheurs de l'Université Purdue, du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département américain de l'énergie (DOE) et du Laboratoire national de Brookhaven du DOE ont étudié les catalyseurs au carbone dopé au fer et à l'azote (Fe – N – C) comme alternative efficace aux PGM. à base de catalyseurs.

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé une nouvelle technique de spectroscopie de rayons X à haute résolution en énergie sur la ligne de lumière de spectroscopie à coque interne (ISS) de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Brookhaven. Les chercheurs ont pu analyser la structure électronique de ce matériau catalyseur grâce à l'ajout de l'ionomère Nafion, un matériau nécessaire pour contrôler le mouvement des particules chargées (ions).

Les résultats, récemment publiés dans ACS Applied Energy Materials , ont donné aux chercheurs de nouvelles informations sur le comportement de ces matériaux, les aidant ainsi à affiner leur recherche d'une alternative peu coûteuse aux PGM avec une activité, une sélectivité et une stabilité élevées.

"Les systèmes Fe – N – C ont été intensément étudiés par plusieurs groupes de recherche", a déclaré Yulia Pushkar, professeur de physique à l'Université Purdue et auteur principal de cet article. "Cependant, les fondements du véritable centre catalytique, qui contiendrait un atome de fer mais fonctionnerait aussi bien que le platine dans une réaction de réduction de l'oxygène, n'ont jamais été complètement établis dans cette classe de matériaux très prometteuse. Le défi et le mystère de ce problème ont attiré mon attention."

Une alternative aux carburants plus écologiques et plus propres

Pour comprendre pourquoi ces catalyseurs sont si importants, il est utile d’en savoir un peu plus sur le fonctionnement des piles à combustible. Une source de carburant, comme l’hydrogène, entrera dans le système du côté de l’électrode négative (« anode »). Le catalyseur à l’anode divise ensuite la molécule d’hydrogène en protons chargés positivement et en électrons chargés négativement. Les électrons sont libérés via un circuit externe tandis que les protons traversent un matériau électrolytique qui ne laisse pas passer les électrons. À la cathode, l’extrémité positive de la cellule, le catalyseur combine les protons et les électrons avec l’oxygène de l’air. La réaction, connue sous le nom de réaction de réduction de l'oxygène, libère de l'énergie et, comme sous-produit, de l'eau.

L’hydrogène a également une densité énergétique élevée, trois fois supérieure à celle de l’essence. Être capable d’exploiter efficacement la puissance de l’hydrogène pourrait constituer une étape importante dans la réduction des émissions de carbone. Trouver le bon matériau pour augmenter la production de catalyseurs a cependant posé un défi de taille.

Plusieurs technologies de piles à combustible alimentées à l'hydrogène sont actuellement en cours de développement, mais les piles à combustible à membrane échangeuse de protons semblent être les plus prometteuses. Ils sont faciles à fabriquer, fonctionnent à des températures relativement basses et fonctionnent efficacement. Les matériaux catalytiques les plus efficaces pour ces piles à combustible sont toutefois constitués de PGM, qui sont d'excellents électrocatalyseurs, mais leur approvisionnement limité et leur coût élevé interdisent une production à grande échelle.

Les chercheurs ont travaillé dur pour trouver des alternatives peu coûteuses qui non seulement offrent des performances comparables, mais qui sont également aussi stables et robustes. Ceci est particulièrement pertinent dans les applications telles que les véhicules électriques, où les exigences de performances sont assez élevées.

Pour résoudre ce problème, l’équipe a décidé d’examiner de plus près Fe – N – C, un candidat prometteur dans une classe de matériaux catalytiques appelé carbone dopé à l’azote métallique. Fe – N – C est produit en insérant des atomes de fer dans des feuilles de graphène, des couches uniques d'atomes de carbone disposées selon un réseau hexagonal. Pour améliorer encore les performances, certains atomes de carbone du graphène sont ensuite remplacés par des atomes d'azote.

Les performances du catalyseur Fe – N – C étaient comparables à celles des catalyseurs PGM actuellement utilisés, mais sa durabilité n'était pas aussi bonne. L'équipe devait comprendre le mécanisme à l'origine de la dégradation de ce catalyseur afin d'améliorer sa stabilité.

Pour améliorer la stabilité, l’équipe a également examiné ce qui se passerait si elle ajoutait un polymère appelé Nafion au catalyseur Fe-N-C. Le nafion est un ionomère couramment utilisé, un polymère stable et hautement conducteur qui résiste à l'environnement acide et que l'on trouve dans la plupart des piles à combustible.

Observation avec une résolution plus élevée

Pour obtenir une image précise des réactions se produisant dans le catalyseur Fe – N – C, l’équipe a utilisé plusieurs techniques puissantes de spectroscopie à rayons X basées sur le synchrotron. Les chercheurs ont effectué des études sur la structure proche de l'absorption des rayons X (XANES) et sur la structure fine d'absorption des rayons X étendue (EXAFS) sur la ligne de lumière 20-BM de l'Advanced Photon Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au Laboratoire national d'Argonne du DOE. L’équipe a réalisé une spectroscopie d’émission de rayons X (XES) sur la ligne de lumière de l’ISS au NSLS-II. XES est une technique qui donne aux chercheurs des informations précieuses sur la structure électronique d'un matériau.

"Avec XES, de minuscules changements dans l'état chimique d'un matériau associés à l'activité catalytique peuvent être révélés", a expliqué Eli Stavitski, scientifique principal de la ligne de lumière à l'ISS. "La spectroscopie à rayons X traditionnelle n'est pas sensible à l'état de spin, qui est un moment magnétique créé par la disposition électronique dans la molécule.

"XES, cependant, fournit ce type d'informations. Nous avons déterminé que le complexe actif est présent dans une configuration de spin élevé, ce qui signifie qu'il a plus de quantité de mouvement électronique. Dans ces expériences, nous avons également sondé l'état d'oxydation et les ligands environnants de l'atome de fer dans le Catalyseur Fe-N-C. Nous avons pu observer les changements d'état d'oxydation lors de la réaction catalytique et sa détermination précise. Ceci est essentiel pour comprendre les mécanismes de réaction. "

Il s'agissait de l'une des premières expériences utilisant le nouveau spectromètre à rayons X haute résolution de la ligne de lumière. Il a été conçu et construit au NSLS-II, sous la direction du scientifique de la ligne de lumière de l'ISS, Denis Leshchev. Au cœur du spectromètre se trouvent des analyseurs de cristaux :des tranches de silicium ultra-pures et fines qui sont découpées avec précision, polies à la perfection et pliées dans une forme qui leur permet de condenser les photons en petits points étroits comme une puissante lentille à rayons X. L'équipe de Pushkar a développé un ensemble unique de grands analyseurs de cristaux de silicium qui, couplés au faisceau de rayons X intense de la ligne de lumière, à la mécanique de précision et au détecteur, ont rendu cette expérience possible.

"Lorsque le faisceau de rayons X du NSLS-II interagit avec l'échantillon, celui-ci émet des rayons X caractéristiques, qui sont traditionnellement utilisés pour empreinter la composition élémentaire de l'échantillon", a expliqué Leshchev.

"La spectroscopie à rayons X analyse les interactions entre le faisceau de rayons X et l'échantillon, et la technique sonde non seulement la présence d'éléments, mais également leur environnement atomique. Le nouveau spectromètre à haute résolution améliore encore la capacité d'une expérience à résout les moindres détails de ces interactions et offre des informations détaillées sur les liens entre les propriétés atomiques des matériaux et leurs performances catalytiques.

"Cette configuration permet une caractérisation plus précise des matériaux liés à l'énergie, comme les catalyseurs et autres matériaux de batterie", a déclaré Leshchev. "La spectroscopie d'absorption des rayons X traditionnelle est une technique courante dans de nombreux synchrotrons. Elle s'étend désormais à la spectroscopie à haute résolution. Nous sommes ravis de pouvoir offrir cette fonctionnalité à nos utilisateurs dès maintenant."

L’équipe a utilisé ces techniques pour étudier le comportement du catalyseur Fe – N – C lors d’une réaction d’oxydo-réduction avec et sans la présence de Nafion. Ils ont découvert que l'ajout de Nafion provoquait des changements significatifs, notamment en termes d'état d'oxydation des atomes de fer et de leurs interactions avec les atomes voisins.

Ils ont découvert que les atomes de fer catalytiquement actifs dans les catalyseurs Fe – N – C ont tendance à être dans un état spécifique :ion ferrique (Fe₃ ⁺ )centres de spin élevés entourés d'atomes d'azote. Lorsque ces catalyseurs sont mélangés au Nafion, l’ionomère libère une partie des atomes de fer trop fortement liés à la feuille de graphite, leur permettant de participer au processus catalytique. Le nafion est un composant essentiel des piles à combustible expérimentales et industrielles car il amène les protons au site catalytique pour la formation de l'eau. Comprendre l'interaction Nafion-catalyseur est essentiel pour optimiser les performances des piles à combustible.

"Nous sommes encore en train de répondre à la question centrale qui nous a conduit à cette recherche", a déclaré Pushkar, "mais nous avons découvert une couche supplémentaire de complexité dans ce système. La forte interaction du Nafion, actuellement un composant indispensable, avec Les centres de fer dans le système provoquent une restructuration des environnements de ligands de fer."

Cette observation est importante pour concevoir de meilleurs catalyseurs, car elle répond à la question de savoir quelles formes de fer sont réellement les plus efficaces pour catalyser le processus de réaction d’oxydo-réduction. Des expériences comme celle-ci aident les chercheurs sur les piles à combustible à se rapprocher d'un catalyseur idéal offrant des performances et une stabilité élevées, tout en améliorant le coût et la disponibilité pour permettre à cette alternative énergétique propre d'avoir un impact significatif sur la réduction des émissions de carbone.