Les nanotubes de carbone dopés à l'azote ou les nanorubans de graphène modifiés peuvent remplacer le platine pour une réduction rapide de l'oxygène, la réaction clé dans les piles à combustible qui transforment l'énergie chimique en électricité, selon les chercheurs de l'Université Rice.

Les résultats proviennent de simulations informatiques réalisées par des scientifiques de Rice qui ont tenté de voir comment les nanomatériaux de carbone peuvent être améliorés pour les cathodes de piles à combustible. Leur étude révèle les mécanismes au niveau atomique par lesquels les nanomatériaux dopés catalysent les réactions de réduction de l'oxygène (ORR).

La recherche apparaît dans le journal de la Royal Society of Chemistry Nanoéchelle .

Le physicien théoricien Boris Yakobson et ses collègues de Rice sont parmi ceux qui cherchent un moyen d'accélérer l'ORR pour les piles à combustible, qui ont été découverts au 19ème siècle mais pas largement utilisés jusqu'à la dernière partie du 20ème. Ils ont depuis propulsé des modes de transport allant des voitures et des bus aux engins spatiaux.

Les chercheurs Rice, y compris l'auteur principal et ancien associé postdoctoral Xiaolong Zou et l'étudiant diplômé Luqing Wang, utilisé des simulations informatiques pour découvrir pourquoi des nanorubans de graphène et des nanotubes de carbone modifiés avec de l'azote et/ou du bore, longtemps étudié comme substitut du coûteux platine, sont si lents et comment ils peuvent être améliorés.

Se doper, ou modifiant chimiquement, les nanotubes ou nanorubans conducteurs modifient leurs caractéristiques de liaison chimique. Ils peuvent ensuite être utilisés comme cathodes dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Dans une simple pile à combustible, les anodes aspirent le combustible hydrogène et le séparent en protons et électrons. Alors que les électrons négatifs s'écoulent sous forme de courant utilisable, les protons positifs sont attirés vers la cathode, où ils se recombinent avec le retour des électrons et de l'oxygène pour produire de l'eau.

Les modèles ont montré que les nanotubes de carbone plus minces avec une concentration relativement élevée d'azote seraient les plus performants, car les atomes d'oxygène se lient facilement à l'atome de carbone le plus proche de l'azote. Les nanotubes ont un avantage sur les nanorubans en raison de leur courbure, qui déforme les liaisons chimiques autour de leur circonférence et conduit à une liaison plus facile, les chercheurs ont trouvé.

La difficulté consiste à fabriquer un catalyseur qui n'est ni trop fort ni trop faible car il se lie à l'oxygène. La courbe du nanotube permet d'ajuster l'énergie de liaison des nanotubes, selon les chercheurs, qui a déterminé que des nanotubes « ultrafins » avec un rayon compris entre 7 et 10 angströms seraient idéaux. (Un angström est un dix-milliardième de mètre; à titre de comparaison, un atome typique a un diamètre d'environ 1 angström.)

Ils ont également montré que le codopage de nanorubans de graphène avec de l'azote et du bore améliore les capacités d'absorption d'oxygène des rubans à bords en zigzag. Dans ce cas, l'oxygène trouve une opportunité de double liaison. D'abord, ils se fixent directement sur des sites dopés au bore chargés positivement. Seconde, ils sont attirés par des atomes de carbone avec une charge de spin élevée, qui interagit avec les orbitales électroniques polarisées en spin des atomes d'oxygène. Alors que l'effet spin améliore l'adsorption, l'énergie de liaison reste faible, atteindre également un équilibre qui permet de bonnes performances catalytiques.

Les chercheurs ont montré que les mêmes principes catalytiques étaient vrais, mais à moindre effet, pour nanorubans avec bords de fauteuil.

« Alors que les nanotubes dopés sont prometteurs, les meilleures performances peuvent probablement être obtenues sur les bords en zigzag du nanoruban où la substitution de l'azote peut exposer ce que l'on appelle l'azote pyridinique, qui a une activité catalytique connue, " a déclaré Yakobson.

« Si disposé dans une configuration semblable à de la mousse, un tel matériau peut approcher l'efficacité du platine, " Wang a dit. " Si le prix est une considération, ce serait certainement compétitif."