Les scientifiques de l'Université Rice ont fabriqué un catalyseur durable pour les piles à combustible hautes performances en attachant des atomes de ruthénium uniques au graphène.

Les catalyseurs qui entraînent la réaction de réduction de l'oxygène qui permet aux piles à combustible de transformer l'énergie chimique en électricité sont généralement constitués de platine, qui résiste à la nature acide de l'électrolyte porteur de charge de la cellule. Mais le platine est cher, et les scientifiques ont cherché pendant des décennies un remplaçant approprié.

La combinaison ruthénium-graphène peut faire l'affaire, dit le chimiste James Tour, dont le laboratoire a développé le matériel avec ses collègues de Rice et en Chine. Dans les essais, ses performances correspondent facilement à celles des alliages traditionnels à base de platine et surpassent le graphène dopé au fer et à l'azote, un autre prétendant.

Un article sur la découverte paraît dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .

"Le ruthénium est souvent un catalyseur très actif lorsqu'il est fixé entre des réseaux de quatre atomes d'azote, pourtant c'est un dixième du prix du platine traditionnel, " a déclaré Tour. " Et puisque nous utilisons des sites atomiques uniques plutôt que de petites particules, il n'y a pas d'atomes enfouis qui ne puissent pas réagir. Tous les atomes sont disponibles pour la réaction."

L'étalement d'atomes de ruthénium sur une feuille de graphène, la forme de carbone à épaisseur atomique, s'est avéré assez simple, Tour dit. Il s'agissait de disperser de l'oxyde de graphène dans une solution, charger dans une petite quantité de ruthénium, puis lyophiliser la nouvelle solution et la transformer en une mousse.

Cuire cela à 750 degrés Celsius (1, 382 degrés Fahrenheit) en présence d'azote et d'hydrogène gazeux a réduit le graphène et bloqué les atomes d'azote à la surface, fournissant des sites où les atomes de ruthénium pourraient se lier.

Les matériaux fabriqués à des températures plus élevées et plus basses n'étaient pas aussi bons, et celles faites à la bonne température mais sans ruthénium ni azote prouvaient que la qualité de la réaction dépendait de la présence des deux.

Le matériau a montré une excellente tolérance contre le croisement du méthanol et l'empoisonnement au monoxyde de carbone en milieu acide, tous deux dégradent l'efficacité des piles à combustible ; une telle dégradation est un problème persistant avec les piles à combustible traditionnelles au platine.