Pour rendre les piles à combustible plus abordables, les chercheurs ont passé des décennies à rechercher des catalyseurs peu coûteux pour remplacer le platine et d'autres métaux coûteux.

Cela implique d’expérimenter différentes combinaisons de trois matériaux abondants et relativement bon marché :le fer, l’azote et le carbone. Jusqu’à présent, les résultats ont été inégaux. Les chercheurs peuvent rendre le catalyseur fer-azote-carbone durable ou efficace, mais pas les deux.

Une nouvelle étude dirigée par l’Université de Buffalo pourrait offrir une solution. Dans la revue Nature Catalysis , les chercheurs rapportent comment l'ajout d'hydrogène au processus de fabrication crée un catalyseur puissant et efficace qui se rapproche des performances du platine.

Cette avancée suggère une étape importante pour aider la technologie des piles à combustible à atteindre son potentiel en tant que fournisseur d'électricité sans pollution pour les voitures, les camions, les trains, les avions et autres véhicules lourds.

"Pendant des années, la communauté scientifique a eu du mal à équilibrer ce compromis. Nous pouvons fabriquer des produits à faible coût qui sont efficaces mais se dégradent trop facilement. Ou nous les avons rendus très stables, mais leurs performances ne pouvaient égaler le platine. Avec ce travail, nous avons fait un pas en avant vers la résolution de ce problème", déclare l'auteur correspondant de l'étude, Gang Wu, Ph.D., professeur au Département de génie chimique et biologique de la Faculté d'ingénierie et des sciences appliquées.

Ces travaux s'appuient sur des recherches antérieures menées par Wu qui décrivaient des catalyseurs fer-azote-carbone qui, bien que durables, avaient du mal à accélérer d'importantes réactions chimiques au sein des piles à combustible.

La nouvelle étude a abordé cette limitation lors d'un processus de fabrication appelé pyrolyse, qui implique l'utilisation de températures extrêmement élevées pour combiner les matériaux.

Au cours de la pyrolyse, les chercheurs ont lié quatre atomes d'azote au fer dans une chambre à haute température. Ils ont ensuite intégré ce matériau dans quelques couches de graphène, une forme de carbone résistante, légère et flexible.

Ce processus se produit généralement dans une chambre contenant un gaz inerte, tel que l'argon. Cependant, cette fois, les chercheurs ont introduit de l'hydrogène dans la chambre pour créer un mélange de 90 % d'argon et 10 % d'hydrogène.

En conséquence, les chercheurs ont pu contrôler plus précisément la composition du catalyseur. Plus précisément, ils ont pu placer deux composés fer-azote-carbone différents (l'un contenait 10 atomes de carbone, l'autre contenait 12 atomes de carbone) dans des positions qui favorisent la durabilité et l'efficacité.

Le catalyseur obtenu a atteint les performances initiales des piles à combustible bien au-delà de l'objectif du ministère de l'Énergie pour 2025. Il s'est également révélé plus durable que la plupart des catalyseurs fer-azote-carbone, se rapprochant d'une cathode à faible teneur en platine typique utilisée pour les piles à combustible.

Plus d'informations : Le réglage de l’atmosphère d’activation thermique rompt le compromis activité-stabilité des catalyseurs de pile à combustible de réduction d’oxygène Fe – N – C. Catalyse naturelle (2023). DOI :10.1038/s41929-023-01062-8

Informations sur le journal : Catalyse naturelle

Fourni par l'Université de Buffalo