Le véhicule électrique Toyota Mirai 2019 revendique zéro émission, grâce à une pile à combustible qui fonctionne à l'hydrogène au lieu de l'essence. Mais la Mirai a à peine quitté la Californie, en partie parce que les électrodes des piles à combustible d'aujourd'hui sont faites de platine super cher.

Réduire le platine réduirait également les coûts, permettant à plus de voitures électriques d'arriver sur le marché.

Une nouvelle méthode emprunte une partie de la réflexion à "Goldilocks" - juste la bonne quantité - pour évaluer la quantité de métal nécessaire pour les électrodes des piles à combustible. La technique utilise les forces sur la surface d'un métal pour identifier l'épaisseur d'électrode idéale.

"Il y a exactement la bonne quantité de métal qui donnera aux électrodes de pile à combustible les meilleures propriétés, " a déclaré Jeffrey Greeley, professeur de génie chimique à Purdue. "S'ils sont trop épais ou trop fins, la réaction principale pour le déploiement d'une pile à combustible ne fonctionne pas aussi bien, il y a donc une sorte de principe de Boucle d'or ici."

L'étude, à paraître dans le numéro du 22 février de la revue Science , était un effort de collaboration entre l'Université Johns Hopkins, l'Université Purdue et l'Université de Californie à Irvine.

Les chercheurs ont testé leur théorie sur le palladium, un métal très similaire au platine.

"Nous utilisons essentiellement la force pour régler les propriétés des tôles minces qui composent les électrocatalyseurs, qui font partie des électrodes des piles à combustible, " a déclaré Greeley. " Le but ultime est de tester cette méthode sur une variété de métaux. "

Les piles à combustible convertissent l'hydrogène, combiné avec un peu d'oxygène, en électricité par une réaction dite de réduction de l'oxygène qu'un électrocatalyseur démarre. Trouver exactement la bonne épaisseur stresse la surface de l'électrocatalyseur et améliore la performance de cette réaction.

Dans le passé, des chercheurs ont essayé d'utiliser des forces extérieures pour étendre ou comprimer la surface d'un électrocatalyseur, mais cela risquait de rendre l'électrocatalyseur moins stable.

Au lieu, Le groupe de Greeley a prédit grâce à des simulations informatiques que la force inhérente à la surface d'un électrocatalyseur au palladium pourrait être manipulée pour obtenir les meilleures propriétés possibles.

D'après les simulations, un électrocatalyseur de cinq couches d'épaisseur, chaque couche aussi fine qu'un atome, suffirait à optimiser les performances.

"Ne combattez pas les forces, Utilise les, " a déclaré Zhenhua Zeng, un chercheur postdoctoral Purdue en génie chimique, et co-premier et co-auteur de cet article. "C'est un peu comme la façon dont certaines structures en architecture n'ont pas besoin de poutres ou de colonnes externes, car les forces de tension et de compression sont réparties et équilibrées."

Des expériences dans le laboratoire de Chao Wang à Johns Hopkins ont confirmé les prédictions de la simulation, constatant que le procédé peut augmenter l'activité du catalyseur de 10 à 50 fois, en utilisant 90 pour cent de moins de métal que ce qui est actuellement utilisé dans les électrodes de piles à combustible.

C'est parce que la force de surface sur les électrodes atomiquement minces ajuste la contrainte, ou la distance entre les atomes, des tôles, altérer leurs propriétés catalytiques.

"En ajustant l'épaisseur du matériau, nous avons pu créer plus de tension. Cela signifie que vous avez plus de liberté pour accélérer la réaction que vous souhaitez sur la surface du matériau, " a dit Wang.