Une nouvelle combinaison de nanoparticules et de graphène permet d'obtenir un matériau catalytique plus durable pour les piles à combustible, selon les travaux publiés aujourd'hui en ligne dans le Journal of the American Chemical Society. Le matériau catalytique est non seulement plus résistant mais aussi plus chimiquement actif. Les chercheurs sont convaincus que les résultats contribueront à améliorer la conception des piles à combustible.

« Les piles à combustible sont un domaine important de la technologie énergétique, mais le coût et la durabilité sont de grands défis, " a déclaré le chimiste Jun Liu. " La structure unique de ce matériau offre une stabilité indispensable, bonne conductivité électrique et autres propriétés souhaitées."

Liu et ses collègues du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie, Université de Princeton à Princeton, NEW JERSEY., et l'Université d'État de Washington à Pullman, Lavage., graphène combiné, un nid d'abeilles de carbone d'une épaisseur d'un atome avec des propriétés électriques et structurelles pratiques, avec des nanoparticules d'oxyde métallique pour stabiliser un catalyseur de pile à combustible et le rendre plus disponible pour faire son travail.

"Ce matériau a un grand potentiel pour rendre les piles à combustible moins chères et durent plus longtemps, " a déclaré le chimiste catalytique Yong Wang, qui a un rendez-vous conjoint avec le PNNL et le WSU. "Le travail peut également fournir des leçons pour améliorer les performances d'autres catalyseurs à base de carbone pour un large éventail d'applications industrielles."

Oxyde de métal musculaire

Les piles à combustible fonctionnent en décomposant chimiquement l'oxygène et l'hydrogène gazeux pour créer un courant électrique, produire de l'eau et de la chaleur dans le processus. La pièce maîtresse de la pile à combustible est le catalyseur chimique - généralement un métal tel que le platine - assis sur un support qui est souvent fait de carbone. Un bon matériau de support répartit le platine uniformément sur sa surface pour maximiser la surface avec laquelle il peut attaquer les molécules de gaz. Il est également conducteur d'électricité.

Les développeurs de piles à combustible utilisent le plus souvent du carbone noir - pensez à la mine de crayon - mais les atomes de platine ont tendance à s'agglomérer sur ce carbone. En outre, l'eau peut dégrader le carbone. Une autre option de support est les oxydes métalliques - pensez à la rouille - mais ce que les oxydes métalliques compensent dans la stabilité et la dispersion du catalyseur, ils perdent en conductivité et en facilité de synthèse. D'autres chercheurs ont commencé à explorer les oxydes métalliques en conjonction avec des matériaux carbonés pour obtenir le meilleur des deux mondes.

En tant que support carbone, Liu et ses collègues ont trouvé le graphène intrigant. Le réseau en nid d'abeille du graphène est poreux, électriquement conducteur et offre beaucoup de place aux atomes de platine pour travailler. D'abord, l'équipe a cristallisé des nanoparticules de l'oxyde métallique connu sous le nom d'oxyde d'indium et d'étain - ou ITO - directement sur du graphène spécialement traité. Ensuite, ils ont ajouté des nanoparticules de platine au graphène-ITO et testé les matériaux.

Poids Platine

L'équipe a visualisé les matériaux sous des microscopes à haute résolution à l'EMSL, Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement du DOE sur le campus du PNNL. Les images ont montré que sans ITO, des atomes de platine se sont agglutinés à la surface du graphène. Mais avec ITO, le platine s'est bien étalé. Ces images montraient également du platine catalytique coincé entre les nanoparticules et la surface du graphène, avec les nanoparticules reposant partiellement sur le platine comme un presse-papier.

Pour voir à quel point cet arrangement était stable, l'équipe a effectué des calculs théoriques d'interactions moléculaires entre le graphène, platine et ITO. Ce calcul numérique sur le supercalculateur Chinook de l'EMSL a montré que le trio était plus stable que l'oxyde métallique seul sur le graphène ou le catalyseur seul sur le graphène.

Mais la stabilité ne fait aucune différence si le catalyseur ne fonctionne pas. Dans les tests sur la façon dont les matériaux décomposent l'oxygène comme ils le feraient dans une pile à combustible, la triple menace a emballé environ 40% de plus d'un coup que le catalyseur seul sur le graphène ou le catalyseur seul sur d'autres supports à base de carbone tels que le charbon actif.

Durer, l'équipe a testé la résistance du nouveau matériau à une utilisation répétée en le vieillissant artificiellement. Après vieillissement, le matériau tripartite s'est avéré être trois fois plus durable que le catalyseur isolé sur le graphène et deux fois plus durable que sur le charbon actif couramment utilisé. Des tests de corrosion ont révélé que la triple menace était également plus résistante que les autres matériaux testés.

L'équipe incorpore maintenant le matériau platine-ITO-graphène dans des piles à combustible expérimentales pour déterminer son efficacité dans des conditions réelles et sa durée de vie.