(Phys.org) — La quête pour exploiter l'hydrogène comme carburant à combustion propre du futur exige des catalyseurs parfaits, des machines à l'échelle nanométrique qui améliorent les réactions chimiques. Les scientifiques doivent modifier les structures atomiques pour atteindre un équilibre optimal de réactivité, durabilité, et la synthèse à l'échelle industrielle. Dans une frontière émergente de la catalyse, les scientifiques recherchent également des nanoparticules tolérantes au monoxyde de carbone, une impureté empoisonnée dans l'hydrogène dérivé du gaz naturel. Ce carburant impur, 40 % moins cher que l'hydrogène pur produit à partir de l'eau, reste largement inexploité.

Maintenant, scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) - dans une recherche publiée en ligne le 18 septembre 2013 dans la revue Communication Nature — ont créé un nanocatalyseur performant qui répond à toutes ces exigences. La nouvelle structure noyau-coque - le ruthénium recouvert de platine - résiste aux dommages causés par le monoxyde de carbone car elle entraîne les réactions énergétiques au cœur des piles à combustible des véhicules électriques et des technologies similaires.

"Ces nanoparticules présentent un ordre atomique parfait à la fois dans le ruthénium et le platine, surmonter les défauts structurels qui paralysaient auparavant les catalyseurs tolérants au monoxyde de carbone, " a déclaré Jia Wang, co-auteur de l'étude et chimiste du Brookhaven Lab. " Notre système hautement évolutif, méthode de synthèse « verte », comme le révèlent les techniques d'imagerie à l'échelle atomique, ouvre de nouvelles possibilités passionnantes pour la catalyse et la durabilité."

Fabriquer des cristaux avec la perfection atomique

Les catalyseurs à l'intérieur des piles à combustible libèrent l'énergie intrinsèque des molécules d'hydrogène et la convertissent en électricité. Le platine fonctionne exceptionnellement bien avec de l'hydrogène pur, mais le coût élevé et la rareté du métal entravent son déploiement à grande échelle. En revêtant des métaux moins chers de fines couches d'atomes de platine, cependant, les scientifiques peuvent conserver leur réactivité tout en réduisant les coûts et en créant des structures cœur-coquille avec des paramètres de performance supérieurs.

Les impuretés de monoxyde de carbone dans l'hydrogène formé à partir du gaz naturel présentent un autre défi pour les scientifiques car elles désactivent la plupart des catalyseurs au platine. Le ruthénium, moins cher que le platine, favorise la tolérance au monoxyde de carbone, mais est plus sujette à la dissolution lors du démarrage/arrêt des piles à combustible, provoquant une dégradation progressive des performances.

"Nous avons entrepris de protéger les noyaux de ruthénium de la dissolution avec des coquilles de platine complètes d'une ou deux atomes d'épaisseur seulement, ", a déclaré Wang. "Des études scientifiques de surface précédentes ont révélé une variation remarquable des propriétés de surface dans cette configuration noyau-coque, suggérant le besoin et la possibilité de perfectionner la recette avec un contrôle précis."

Des doutes existaient quant à savoir si un noyau de ruthénium hautement ordonné était même possible avec une coquille de platine - les nanoparticules précédemment synthétisées présentaient une structure cristalline affaiblie dans le ruthénium.

"Heureusement, nous avons constaté que la perte de structure du ruthénium était due à une diffusion intercouche médiée par des défauts, ce qui est évitable, " a déclaré Wang. " En éliminant tous les défauts de réseau dans les nanoparticules de ruthénium avant d'ajouter du platine, nous avons conservé l'essentiel, structure atomique discrète de chaque élément."

La méthode de synthèse évolutive et peu coûteuse utilise de l'éthanol, un solvant courant et peu coûteux, comme réducteur pour fabriquer le noyau et l'enveloppe des nanoparticules. Le processus sophistiqué ne nécessite aucun autre agent organique ou gabarit métallique.

"Régler simplement la température, l'eau, et l'acidité des solutions nous a donné un contrôle complet sur le processus et a donné une taille de nanoparticules de ruthénium remarquablement cohérente et un revêtement de platine uniforme, " a déclaré Radoslav Adzic, chimiste du Brookhaven Lab, un autre co-auteur de l'étude. « Cette simplicité offre une reproductibilité et une évolutivité élevées, et cela démontre le potentiel commercial évident de notre méthode."

Caractérisation noyau-coque

"Nous avons emmené les catalyseurs terminés dans d'autres installations ici au laboratoire pour révéler les détails exacts de la structure atomique, ", a déclaré Wang. "Ce type de collaboration rapide n'est possible que lorsque vous travaillez juste à côté d'experts et d'instruments de classe mondiale."

Les scientifiques de la source nationale de lumière synchrotron (NSLS) de Brookhaven Lab ont révélé la densité atomique, Distribution, et l'uniformité des métaux dans les nanocatalyseurs en utilisant une technique appelée diffraction des rayons X, où la lumière à haute fréquence se disperse et se courbe après avoir interagi avec des atomes individuels. La collaboration a également utilisé un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) au Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) de Brookhaven pour identifier les différents modèles atomiques sub-nanométriques. Avec cet instrument, un faisceau focalisé d'électrons a bombardé les particules, créer une carte des structures du noyau et de la coque.

"Nous avons constaté que les éléments ne se mélangeaient pas à la limite cœur-coquille, qui est un pas critique, " a déclaré le physicien du CFN Dong Su, co-auteur et spécialiste STEM. "L'ordre atomique dans chaque élément, couplé avec les bons modèles théoriques, nous explique comment et pourquoi le nouveau nanocatalyseur opère sa magie."

La détermination de la configuration fonctionnelle idéale pour le cœur et la coque a également nécessité l'utilisation de l'expertise du CFN en informatique. Avec les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), l'ordinateur aide à identifier la structure platine-ruthénium la plus énergétiquement stable.

"L'analyse DFT fait le lien entre performance et configuration, et cela corrobore nos observations directes par diffraction des rayons X et microscopie électronique, " a déclaré Adzic.

De la découverte au déploiement

Systèmes d'alimentation Ballard, une entreprise dédiée à la production de piles à combustible, ont évalué de manière indépendante les performances des nouveaux nanocatalyseurs core-shell. Au-delà de tester la haute activité des catalyseurs à faible teneur en platine dans l'hydrogène pur, Ballard a examiné spécifiquement la résistance au monoxyde de carbone présent dans l'hydrogène gazeux impur et la résistance à la dissolution pendant les cycles de démarrage/arrêt. Le nanocatalyseur bicouche présentait une durabilité élevée et une tolérance améliorée au monoxyde de carbone - la combinaison permet l'utilisation d'hydrogène impur sans beaucoup de perte d'efficacité ou d'augmentation du coût du catalyseur.

Le nanocatalyseur s'est également bien comporté dans la production d'hydrogène gazeux grâce à la réaction de dégagement d'hydrogène, conduisant à un autre partenariat industriel. Proton sur place, une entreprise spécialisée dans la séparation de l'hydrogène de l'eau et d'autres procédés similaires, a réalisé des tests de faisabilité pour le déploiement de la technologie dans sa production d'électrolyseurs d'eau, qui nécessitera désormais environ 98 pour cent moins de platine.

"Les électrolyseurs d'eau sont déjà sur le marché, afin que ce nanocatalyseur puisse se déployer rapidement, " a déclaré Wang. " Lorsque les véhicules à pile à combustible à hydrogène seront déployés dans les années à venir, cette nouvelle structure peut accélérer le développement en réduisant les coûts des catalyseurs métalliques et du carburant. »