La consommation mondiale d'énergie s'accélère à un rythme alarmant. Il y a trois causes principales :une expansion économique rapide, croissance démographique, et une dépendance accrue à l'égard des appareils à base d'énergie à travers le monde.

Notre demande énergétique croissante et l'impact environnemental des combustibles traditionnels posent de sérieux défis à la santé humaine, sécurité énergétique, et la protection de l'environnement. Il a été estimé que le monde devra doubler son approvisionnement énergétique d'ici 2050 et il est essentiel que nous développions de nouveaux types d'énergie pour relever ce défi.

Les piles à combustible utilisent généralement des électrodes de platine coûteuses, mais une alternative non métallique pourrait être une solution abordable pour la sécurité énergétique. Les piles à combustible produisent de l'électricité en oxydant le carburant en eau, fournir une énergie propre et durable.

L'hydrogène peut être utilisé comme combustible. D'abord, l'hydrogène est divisé en ses électrons et protons constitutifs. Ensuite, le flux d'électrons génère de l'énergie électrique, avant que les électrons et les protons ne se joignent à l'oxygène réduit, formant de l'eau comme seul sous-produit.

Cette technologie a une efficacité de conversion énergétique élevée, ne crée pratiquement aucune pollution, et a le potentiel pour une utilisation à grande échelle. Cependant, la réaction vitale qui génère de l'oxygène réduit dans les piles à combustible nécessite un catalyseur – traditionnellement une électrode de platine. Malheureusement, le coût élevé et les ressources limitées ont fait de ce catalyseur en métal précieux le principal obstacle aux piles à combustible grand public.

Depuis que les piles à combustible utilisant du platine ont été développées pour la mission lunaire Apollo dans les années 1960, les chercheurs ont développé des catalyseurs fabriqués à partir d'alliages contenant du platine et des métaux moins chers. Ces catalyseurs d'alliage ont une teneur en platine inférieure, pourtant, la production de masse commerciale nécessite encore de grandes quantités de platine. Pour faire des piles à combustible une option énergétique viable à grande échelle, nous avons besoin d'autres efficaces, à bas prix, et des électrodes stables.

Nous avons précédemment découvert une nouvelle classe de catalyseurs sans métal à faible coût à base de nanotubes de carbone avec ajout d'azote, qui fonctionnait mieux que le platine dans les piles à combustible de base. Les performances catalytiques améliorées peuvent être attribuées à la capacité d'acceptation d'électrons des atomes d'azote, qui facilite la réaction de réduction de l'oxygène. Ces produits à base de carbone, les catalyseurs sans métal pourraient réduire considérablement le coût de commercialisation de la technologie des piles à combustible. Malheureusement, ils s'avèrent souvent moins efficaces dans des conditions acides – les conditions typiques des piles à combustible traditionnelles.

Utiliser des composites de carbone à structure poreuse pour augmenter la surface et des nanotubes pour améliorer la conductivité, nos dernières recherches démontrent que nos nanomatériaux sont capables de catalyser la réduction de l'oxygène aussi efficacement que les catalyseurs de métaux non précieux de pointe - et avec une stabilité plus longue. Cette première tentative réussie d'utilisation de catalyseurs sans métal à base de carbone dans des piles à combustible acides pourrait faciliter la commercialisation de piles à combustible abordables et durables.

En plus des piles à combustible, ces nouveaux catalyseurs en nanomatériaux de carbone sans métal sont également des électrodes efficaces pour les cellules solaires à faible coût, supercondensateurs pour le stockage d'énergie, et les systèmes de fractionnement de l'eau qui produisent du carburant à partir de l'eau. L'utilisation généralisée de catalyseurs sans métal à base de carbone se traduira donc par une meilleure économie de carburant, une diminution des émissions nocives, et une dépendance réduite à l'égard des sources pétrolières. Cela pourrait considérablement affecter la vie dans un proche avenir.

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de The Conversation (sous Creative Commons-Attribution/Pas de dérivés).