Il n'y a pas de solution miracle pour les besoins énergétiques mondiaux. Mais les piles à combustible dans lesquelles l'énergie électrique est directement exploitée sous tension, Les réactions chimiques auto-entretenues promettent des alternatives moins chères aux combustibles fossiles.

Pour faciliter une conversion d'énergie plus rapide dans ces cellules, les scientifiques dispersent des nanoparticules fabriquées à partir de métaux spéciaux appelés métaux « nobles », par exemple l'or, l'argent et le platine le long de la surface d'une électrode. Ces métaux ne sont pas aussi réactifs chimiquement que les autres métaux à l'échelle macro, mais leurs atomes deviennent plus réactifs à l'échelle nanométrique. Les nanoparticules fabriquées à partir de ces métaux agissent comme un catalyseur, augmentant la vitesse de la réaction chimique nécessaire qui libère les électrons du carburant. Pendant que les nanoparticules sont pulvérisées sur l'électrode, elles s'écrasent comme du mastic, formant des grappes plus grosses. Cette tendance au compactage, appelé frittage, réduit la surface globale disponible aux molécules du carburant pour interagir avec les nanoparticules catalytiques, les empêchant ainsi de réaliser leur plein potentiel dans ces piles à combustible.

Recherche de l'unité Nanoparticles by Design de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), en collaboration avec le SLAC National Laboratory aux USA et le Centre autrichien de microscopie électronique et de nanoanalyse, a développé un moyen d'empêcher les nanoparticules de métaux nobles de se compacter, en les encapsulant individuellement à l'intérieur d'une enveloppe poreuse en oxyde métallique. Les chercheurs de l'OIST ont publié leurs découvertes à l'échelle nanométrique. Leurs travaux ont des applications immédiates dans le domaine de la nano-catalyse pour la fabrication de piles à combustible plus efficaces.

Les chercheurs de l'OIST ont conçu un nouveau système. Ils ont encapsulé des nanoparticules de palladium dans une coquille d'oxyde de magnésium. Ensuite, ils ont dispersé cette combinaison cœur-enveloppe sur une électrode et mesuré les capacités de l'électrode immergée à améliorer la vitesse de la réaction électrochimique qui se produit dans les piles à combustible au méthanol. Ils ont démontré que les nanoparticules de palladium encapsulées donnent des performances significativement supérieures à celles des nanoparticules de palladium nues.

Les chercheurs de l'OIST avaient précédemment réalisé que les nanoparticules d'oxyde de magnésium pouvaient former des enveloppes poreuses autour des nanoparticules de métaux nobles tout en étudiant séparément les nanoparticules de magnésium et de palladium. La porosité de cette armure ajoutée garantit qu'elle n'empêche pas les molécules du carburant d'atteindre le palladium encapsulé. Les images de microscopie électronique ont confirmé que la coque d'oxyde de magnésium agit simplement comme un espaceur entre les noyaux de palladium alors qu'ils essaient de se coller les uns aux autres, permettant à chacun de réaliser son plein potentiel réactif.

Le système avancé de dépôt de nanoparticules de l'OIST a permis aux chercheurs d'affiner les paramètres expérimentaux et de faire varier l'épaisseur de la coque d'encapsulation ainsi que le nombre de nanoparticules de palladium dans le noyau avec une relative facilité. Le réglage des tailles et des structures des nanoparticules modifie leurs propriétés physiques et chimiques pour différentes applications.

"Plus de combinaisons core-shell peuvent être essayées en utilisant notre technique, avec des métaux moins chers que le Palladium par exemple, comme le nickel ou le fer. Nos résultats sont suffisamment prometteurs pour continuer dans cette nouvelle direction, " dit Vidyadhar Singh, le premier auteur de l'article, et stagiaire postdoctoral sous la direction du Prof. Mukhles Sowwan, le directeur de l'Unité Nanoparticules par conception de l'OIST, qui était également l'auteur correspondant de l'article.