Des nanotubes de carbone à parois multiples criblés de défauts et d'impuretés à l'extérieur pourraient remplacer certains des catalyseurs au platine coûteux utilisés dans les piles à combustible et les batteries métal-air, selon des scientifiques de l'université de Stanford. Leurs résultats sont publiés dans l'édition en ligne du 27 mai de la revue Nature Nanotechnologie .

"Le platine est très cher et donc peu pratique pour une commercialisation à grande échelle, " dit Hongjie Dai, professeur de chimie à Stanford et co-auteur de l'étude. « Développer une alternative à faible coût est un objectif de recherche majeur depuis plusieurs décennies. »

Au cours des cinq dernières années, le prix du platine a varié d'un peu moins de 800 $ à plus de 2 $, 200 l'once. Parmi les plus prometteurs, une alternative à faible coût au platine est le nanotube de carbone - une feuille enroulée de carbone pur, appelé graphène, c'est un atome d'épaisseur et plus de 10, 000 fois plus étroit qu'un cheveu humain. Les nanotubes de carbone et le graphène sont d'excellents conducteurs d'électricité et relativement peu coûteux à produire.

Pour l'étude, l'équipe de Stanford a utilisé des nanotubes de carbone à parois multiples constitués de deux ou trois tubes concentriques emboîtés les uns dans les autres. Les scientifiques ont montré que le déchiquetage du mur extérieur, tout en laissant les parois intérieures intactes, améliore l'activité catalytique dans les nanotubes, mais n'interfère pas avec leur capacité à conduire l'électricité.

"Un nanotube de carbone typique a peu de défauts, " dit Yanguang Li, un boursier postdoctoral à Stanford et auteur principal de l'étude. "Mais les défauts sont en fait importants pour favoriser la formation de sites catalytiques et rendre le nanotube très actif pour les réactions catalytiques."

Décompressé

Pour l'étude, Li et ses collègues ont traité des nanotubes à parois multiples dans une solution chimique. L'analyse microscopique a révélé que le traitement provoquait le décompression partielle du nanotube externe et la formation de morceaux de graphène de taille nanométrique qui s'accrochaient au nanotube interne, qui est resté en grande partie intact.

"Nous avons découvert que l'ajout de quelques impuretés de fer et d'azote rendait la paroi externe très active pour les réactions catalytiques, " Dai dit. "Mais l'intérieur a maintenu son intégrité, fournissant un chemin pour que les électrons se déplacent. Vous voulez que l'extérieur soit très actif, mais vous voulez toujours avoir une bonne conductivité électrique. Si vous utilisiez un nanotube de carbone à paroi simple, vous n'auriez pas cet avantage, parce que les dommages sur le mur dégraderaient la propriété électrique."

Dans les piles à combustible et les batteries métal-air, les catalyseurs au platine jouent un rôle crucial dans l'accélération des réactions chimiques qui convertissent l'hydrogène et l'oxygène en eau. Mais le partiellement décompressé, les nanotubes à parois multiples pourraient tout aussi bien fonctionner, Li a ajouté. "Nous avons constaté que l'activité catalytique des nanotubes est très proche du platine, ", a-t-il déclaré. " Cette activité élevée et la stabilité de la conception en font des candidats prometteurs pour les piles à combustible. "

Les chercheurs ont récemment envoyé des échantillons de catalyseurs à nanotubes expérimentaux à des experts en piles à combustible pour des tests. "Notre objectif est de produire une pile à combustible à très haute densité énergétique qui puisse durer très longtemps, " dit Li.

Les nanotubes multiparois pourraient également avoir des applications dans les batteries métal-air au lithium ou au zinc.

"Les batteries lithium-air sont passionnantes en raison de leur densité d'énergie théorique ultra-élevée, ce qui est plus de 10 fois supérieur à la meilleure technologie lithium-ion d'aujourd'hui, " a déclaré Dai. "Mais l'un des obstacles au développement a été le manque d'un catalyseur à faible coût. Les nanotubes de carbone pourraient être une excellente alternative au platine, le palladium et d'autres catalyseurs à base de métaux précieux actuellement utilisés."

Des sites controversés

L'étude de Stanford pourrait également avoir résolu une controverse scientifique de longue date sur la structure chimique des sites actifs catalytiques où se produisent les réactions d'oxygène. "Un groupe de scientifiques pense que les impuretés de fer sont liées à l'azote sur le site actif, " a dit Li. " Un autre groupe pense que le fer n'apporte pratiquement rien, sauf pour favoriser des sites actifs entièrement constitués d'azote."

Pour répondre à la polémique, l'équipe de Stanford a fait appel à des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge pour effectuer des analyses d'imagerie et de spectroscopie à l'échelle atomique des nanotubes. Les résultats ont été clairs, preuve visuelle d'atomes de fer et d'azote à proximité.

"Pour la première fois, nous avons pu imager des atomes individuels sur ce type de catalyseur, " Dai dit. " Toutes les images montraient du fer et de l'azote proches l'un de l'autre, suggérant que les deux éléments sont liés. Ce type d'imagerie est possible, parce que les morceaux de graphène n'ont qu'un atome d'épaisseur."

Dai a noté que les impuretés de fer, qui a amélioré l'activité catalytique, provenaient en fait de graines métalliques qui ont été utilisées pour fabriquer les nanotubes et qui n'ont pas été ajoutées intentionnellement par les scientifiques. La découverte de ces morceaux de fer accidentels mais inestimables a offert aux chercheurs une leçon importante. "Nous avons appris que les impuretés métalliques dans les nanotubes ne doivent pas être ignorées, " dit Dai.