Les fibres de carbone conçues incrustées de nanoparticules actives (en haut) peuvent être transformées en matériaux structurels légers et flexibles (en bas). Crédit :UC Riverside
Les piles à combustible ont le potentiel d'être un moyen propre et efficace de faire fonctionner les voitures, des ordinateurs, et centrales électriques, mais le coût de leur production limite leur utilisation. C'est parce qu'un élément clé des piles à combustible les plus courantes est un catalyseur fabriqué à partir de platine, un métal précieux.
Dans un article publié aujourd'hui dans Petit , chercheurs de l'Université de Californie, Bord de rivière, décrire le développement d'une solution peu coûteuse, matériau catalyseur efficace pour un type de pile à combustible appelé pile à combustible à membrane électrolytique polymère (PEMFC), qui transforme l'énergie chimique de l'hydrogène en électricité et fait partie des types de piles à combustible les plus prometteurs pour alimenter les voitures et l'électronique.
Le catalyseur développé à l'UCR est constitué de nanofibres de carbone poreuses enrobées d'un composé fabriqué à partir d'un métal relativement abondant tel que le cobalt, qui est plus de 100 fois moins cher que le platine. La recherche a été dirigée par David Kisailus, le professeur titulaire Winston Chung en innovation énergétique au Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering de l'UCR.
Réservoirs de carburant, qui sont déjà utilisés par certains constructeurs automobiles, offrent des avantages par rapport aux technologies de combustion conventionnelles, y compris une plus grande efficacité, fonctionnement plus silencieux et émissions réduites. Les piles à combustible à hydrogène n'émettent que de l'eau.
Comme les piles, les piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques qui comprennent une électrode positive et négative prenant en sandwich un électrolyte. Lorsqu'un combustible hydrogène est injecté sur l'anode, un catalyseur sépare les molécules d'hydrogène en particules chargées positivement appelées protons et en particules chargées négativement appelées électrons. Les électrons sont dirigés à travers un circuit externe, où ils font un travail utile, comme alimenter un moteur électrique, avant de rejoindre les ions hydrogène et oxygène chargés positivement pour former de l'eau.
Un obstacle critique à l'adoption des piles à combustible est le coût du platine, faisant du développement de matériaux catalytiques alternatifs un moteur clé pour leur mise en œuvre en masse.
En utilisant une technique appelée électrofilage, les chercheurs de l'UCR ont fabriqué des feuilles minces comme du papier de nanofibres de carbone contenant des ions métalliques, soit du cobalt, fer ou nickel. Lors du chauffage, les ions ont formé des nanoparticules métalliques ultrafines qui ont catalysé la transformation du carbone en un carbone graphitique haute performance. Ensuite, les nanoparticules métalliques et le carbone non graphitique résiduel ont été oxydés, conduisant à un réseau hautement poreux et utile de nanoparticules d'oxyde métallique dispersées dans un réseau poreux de graphite.
Kisailus et son équipe, collaborer avec des scientifiques de l'Université de Stanford, a déterminé que les nouveaux matériaux étaient aussi performants que les systèmes standard platine-carbone de l'industrie, mais à une fraction du prix.
Les chercheurs de l'UC Riverside ont mis au point un matériau catalyseur efficace pour les piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEM) qui sont parmi les types de piles à combustible les plus prometteurs pour alimenter les voitures et l'électronique. Crédit :BEXIM (CC BY 4.0)
"La clé de la haute performance des matériaux que nous avons créés est la combinaison de la chimie et des conditions de traitement des fibres, " a déclaré Kisailus. " Les propriétés électrochimiques remarquables ont été principalement attribuées aux effets synergiques obtenus à partir de l'ingénierie de l'oxyde métallique avec des sites actifs exposés et de la structure graphitique poreuse hiérarchique 3D. "
Kisailus a déclaré qu'un avantage supplémentaire du nanocomposite catalytique était que sa nature de fibre graphitique offrait une résistance et une durabilité supplémentaires, ce qui lui permettrait de servir à la fois de catalyseur de pile à combustible et potentiellement de composant structurel.
« Un défi important dans la fabrication de véhicules hautes performances est la réduction du poids, à la fois de la carrosserie du véhicule ainsi que du poids supplémentaire de la batterie ou de la pile à combustible, sans affecter la sécurité ou les performances, " a-t-il déclaré. " Le matériau que nous avons créé peut permettre aux constructeurs automobiles de transformer des composants structurels, comme le capot ou le châssis, en éléments fonctionnels qui aident à propulser les voitures."
