Aussi important que soit le moteur à combustion interne pour le progrès sociétal, il est également un contributeur majeur à la pollution qui nuit à la santé humaine et aux émissions de carbone qui contribuent à alimenter la crise climatique. Près de 30 % des émissions de carbone aux États-Unis proviennent des transports et 95 % des transports utilisent des combustibles fossiles.

Un élément d'un remède potentiel serait d'alimenter les véhicules avec des piles à combustible à hydrogène, qui n'émettent que de la vapeur d'eau. Cependant, cette solution de durabilité a un aspect ironique et intégré qui n'est pas durable :les catalyseurs nécessaires pour tirer de l'énergie de l'hydrogène impliquent des métaux rares et coûteux tels que le platine. Dans les quantités utilisées pour la technologie d'aujourd'hui, une adoption généralisée nécessiterait des quantités de ces métaux au-delà de ce que l'humanité peut se procurer.

Une étude récente en Nanotechnologie de la Nature dirigé par un professeur de l'UCLA peut représenter un tournant. Les chercheurs ont fait état d'une approche qui leur a permis d'atteindre - et de battre - les objectifs ambitieux de haute performance du catalyseur, de haute stabilité et de faible utilisation du platine qui ont été fixés par le ministère de l'Énergie. Leur technologie record utilisait de minuscules cristaux d'un alliage platine-cobalt, chacun intégré dans une nanopoche en graphène, décrit comme un matériau bidimensionnel car il comprend une couche de carbone d'un atome d'épaisseur.

Comparé aux normes strictes du DOE pour les catalyseurs - non respectées jusqu'à présent - l'alliage enveloppé de graphène des auteurs a donné des résultats extraordinaires :

• 75 fois plus d'activité catalytique
• 65 % de puissance en plus
• environ 20 % d'activité catalytique en plus à la fin de vie prévue de la pile à combustible
• environ 35 % de perte de puissance en moins après un test qui simule 6 000 à 7 000 heures d'utilisation, dépassant l'objectif de 5 000 heures pour la première fois
• près de 40 % de platine en moins par véhicule

"Cela n'a jamais été fait auparavant", a déclaré l'auteur correspondant Yu Huang, professeur et directeur du Département de science et d'ingénierie des matériaux à l'UCLA Samueli School of Engineering et membre du California NanoSystems Institute à l'UCLA. "Cette découverte impliquait un certain hasard. Nous savions que nous étions sur quelque chose qui pourrait rendre les particules plus petites stables, mais nous ne nous attendions pas à ce que cela fonctionne aussi bien."

Aujourd'hui, la moitié de l'offre mondiale totale de platine et de métaux similaires est utilisée pour les convertisseurs catalytiques des véhicules alimentés par des combustibles fossiles, un composant qui rend leurs émissions moins nocives. Quelque part entre 2 et 8 grammes de platine sont nécessaires par véhicule. En comparaison, la technologie actuelle des piles à combustible à hydrogène utilise environ 36 grammes par véhicule.

À la plus faible charge de platine testée par Huang et son équipe, chaque véhicule à hydrogène n'aurait besoin que de 6,8 grammes de platine.

Alors, comment les chercheurs ont-ils obtenu plus de puissance avec moins de platine ? Ils ont cassé le catalyseur à base de platine en particules d'une longueur moyenne de 3 nanomètres. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre, et les nanoparticules étaient si petites qu'il faudrait plus de 30 000 mises bout à bout pour couvrir l'épaisseur d'une seule feuille de papier. Des particules plus petites signifient plus de surface, et plus de surface signifie plus d'espace où l'activité catalytique peut se produire.

Il y a un hic, cependant, qui a contrecarré les tentatives précédentes d'obtenir de meilleures performances en allant petit avec des catalyseurs de pile à combustible à hydrogène. À elles seules, les particules plus petites sont également beaucoup moins durables, car elles ont tendance à se détacher d'une surface ou à se regrouper en particules plus grosses.

Huang et ses collègues ont résolu cette limitation en armant leurs particules de catalyseur dans le graphène 2D. Par rapport au carbone en vrac comme on le voit couramment dans le charbon ou la mine de crayon, de telles couches minces de carbone ont des capacités surprenantes, conductrices efficaces de l'électricité et de la chaleur et montrant une résistance 100 fois supérieure à celle de l'acier à épaisseur similaire.

Leur alliage platine-cobalt a été réduit en particules. Avant d'être intégrées dans une pile à combustible, les particules étaient entourées de nanopoches de graphène, qui agissaient comme une sorte d'ancre pour empêcher les particules de migrer, nécessaires au niveau de durabilité requis dans les véhicules utilitaires. Dans le même temps, le graphène a laissé un espace minuscule, d'environ 1 nanomètre, autour de chaque nanoparticule de catalyseur, ce qui signifiait que des réactions électrochimiques clés pouvaient se produire.

"C'est en quelque sorte intuitif", a déclaré Huang. "Si vous mettez un capuchon sur la particule qui permet à la réaction de se poursuivre mais confine la particule à cet endroit, cela résoudra le problème de durabilité qui est cependant très difficile à atteindre à une si petite échelle."

Cette dernière avancée fait suite à une récente étude collaborative dirigée par Huang qui a produit un modèle de prédiction de l'activité catalytique et de la durabilité d'un alliage à base de platine pouvant être utilisé pour guider la conception de catalyseurs, le premier du genre. Elle et son équipe s'efforcent de traduire leurs résultats expérimentaux en une technologie pratique pouvant être commercialisée et, espérons-le, contribuer aux efforts en matière d'énergie verte et de développement durable. + Explorer plus loin

 Étape possible vers une énergie à base d'hydrogène moins chère :Prédire les performances des catalyseurs dans les piles à combustible