Les progrès de la technologie des piles à combustible ont été entravés par l'insuffisance des métaux étudiés comme catalyseurs. L'inconvénient du platine, autre que le coût, est qu'il absorbe le monoxyde de carbone dans des réactions impliquant des piles à combustible alimentées par des matériaux organiques comme l'acide formique. Un métal testé plus récemment, palladium, se décompose avec le temps.

Maintenant, les chimistes de l'Université Brown ont créé une nanoparticule métallique à trois têtes qui, selon eux, surpasse et survit à toutes les autres à l'extrémité de l'anode dans les réactions de pile à combustible à l'acide formique. Dans un article publié dans le Journal de l'American Chemical Society , les chercheurs rapportent une nanoparticule de fer-platine-or (FePtAu) de 4 nanomètres, avec une structure cristalline tétragonale, génère un courant plus élevé par unité de masse que tout autre catalyseur à nanoparticules testé. De plus, la nanoparticule trimétallique de Brown se comporte presque aussi bien après 13 heures qu'au début. Par contre, un autre assemblage de nanoparticules testé dans des conditions identiques a perdu près de 90 % de ses performances en seulement un quart du temps.

"Nous avons développé un catalyseur de pile à combustible à l'acide formique qui est le meilleur qui ait été créé et testé à ce jour, " dit Shouheng Sun, professeur de chimie à Brown et auteur correspondant sur le papier. "Il a une bonne durabilité ainsi qu'une bonne activité."

L'or joue un rôle clé dans la réaction. D'abord, il agit en quelque sorte comme un organisateur communautaire, conduisant les atomes de fer et de platine en pur, couches uniformes au sein de la nanoparticule. Les atomes d'or sortent alors de la scène, se lier à la surface externe de l'assemblage de nanoparticules. L'or est efficace pour ordonner les atomes de fer et de platine parce que les atomes d'or créent un espace supplémentaire dans la sphère des nanoparticules dès le départ. Lorsque les atomes d'or diffusent de l'espace lors du chauffage, ils créent plus de place pour que les atomes de fer et de platine s'assemblent. L'or crée la cristallisation que les chimistes souhaitent dans l'assemblage de nanoparticules à basse température.

L'or élimine également le monoxyde de carbone (CO) de la réaction en catalysant son oxydation. Monoxyde de carbone, autre que d'être dangereux à respirer, se lie bien aux atomes de fer et de platine, gommer la réaction. En le nettoyant essentiellement de la réaction, l'or améliore les performances du catalyseur fer-platine. L'équipe a décidé d'essayer l'or après avoir lu dans la littérature que les nanoparticules d'or étaient efficaces pour oxyder le monoxyde de carbone - si efficace, En réalité, que des nanoparticules d'or avaient été incorporées dans les casques des pompiers japonais. En effet, les nanoparticules métalliques à trois têtes de l'équipe Brown ont tout aussi bien réussi à éliminer le CO lors de l'oxydation de l'acide formique, bien qu'il ne soit pas clair précisément pourquoi.

Les auteurs soulignent également l'importance de créer une structure cristalline ordonnée pour le catalyseur de nanoparticules. L'or aide les chercheurs à obtenir une structure cristalline appelée « visage centré-tétragonal, " une forme à quatre côtés dans laquelle les atomes de fer et de platine sont essentiellement forcés d'occuper des positions spécifiques dans la structure, créer plus d'ordre. En imposant l'ordre atomique, les couches de fer et de platine se lient plus étroitement dans la structure, rendant ainsi l'assemblage plus stable et durable, indispensable à des catalyseurs plus performants et plus durables.

Dans les expériences, le catalyseur FePtAu a atteint 2809,9 mA/mg Pt (activité massique, ou courant généré par milligramme de platine), "qui est le plus élevé parmi tous les catalyseurs NP (nanoparticules) jamais rapportés, " écrivent les chercheurs Brown. Après 13 heures, la nanoparticule FePtAu a une activité massique de 2600mA/mg Pt, ou 93 pour cent de sa valeur de performance d'origine. En comparaison, les scientifiques écrivent, la nanoparticule de platine-bismuth bien reçue a une activité de masse d'environ 1720mA/mg Pt dans des expériences identiques, et est quatre fois moins actif lorsqu'il est mesuré pour la durabilité.

Les chercheurs notent que d'autres métaux peuvent remplacer l'or dans le catalyseur à nanoparticules pour améliorer les performances et la durabilité du catalyseur.

"Cette communication présente une nouvelle stratégie de contrôle de structure pour régler et optimiser la catalyse des nanoparticules pour les oxydations de carburant, " écrivent les chercheurs.

Sen Zhang, un étudiant diplômé de troisième année dans le laboratoire de Sun, aidé à la conception et à la synthèse de nanoparticules. Shaojun Guo, un boursier postdoctoral du laboratoire de Sun a réalisé des expériences d'oxydation électrochimique. Huiyuan Zhu, un étudiant diplômé de deuxième année au laboratoire de Sun, synthétisé les nanoparticules de FePt et mené des expériences de contrôle. L'autre auteur contributeur est Dong Su du Center for Functional Nanomaterials du Brookhaven National Laboratory, qui a analysé la structure du catalyseur de nanoparticules en utilisant les installations de microscopie électronique de pointe là-bas.