L'étudiante diplômée Jennifer Lee utilise un grand microscope électronique à transmission, logé au Centre Singh, pour examiner de plus près les nanomatériaux et les nanocristaux qui sont synthétisés en laboratoire. Crédit :Université de Pennsylvanie
Alors que les sources renouvelables telles que l'éolien et le solaire modifient rapidement le paysage énergétique, les scientifiques recherchent des moyens de mieux stocker l'énergie lorsqu'elle est nécessaire. Réservoirs de carburant, qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique, sont une solution possible pour le stockage d'énergie à long terme, et pourrait un jour être utilisé pour alimenter des camions et des voitures sans brûler de carburant. Mais avant que les piles à combustible puissent être largement utilisées, les chimistes et les ingénieurs doivent trouver des moyens de rendre cette technologie plus rentable et plus stable.
Une nouvelle étude du laboratoire de Penn intègre le professeur de connaissances Christopher Murray, dirigé par l'étudiante diplômée Jennifer Lee, montre comment des nanomatériaux conçus sur mesure peuvent être utilisés pour relever ces défis. Dans Matériaux et interfaces appliqués ACS , les chercheurs montrent comment une pile à combustible peut être construite à partir de métaux plus largement disponibles en utilisant une conception au niveau atomique qui donne également au matériau une stabilité à long terme. L'ancien post-doctorant Davit Jishkariani et les anciens étudiants Yingrui Zhao et Stan Najmr, étudiant actuel Daniel Rosen, et les professeurs James Kikkawa et Eric Stach, également contribué à ce travail.
La réaction chimique qui alimente une pile à combustible repose sur deux électrodes, une anode négative et une cathode positive, séparé par un électrolyte, une substance qui permet aux ions de se déplacer. Lorsque le carburant pénètre dans l'anode, un catalyseur sépare les molécules en protons et électrons, cette dernière se déplaçant vers la cathode et créant un courant électrique.
Les catalyseurs sont généralement constitués de métaux précieux, comme le platine, mais parce que les réactions chimiques ne se produisent qu'à la surface du matériau, tous les atomes qui ne sont pas présentés à la surface du matériau sont gaspillés. Il est également important que les catalyseurs soient stables pendant des mois et des années, car les piles à combustible sont très difficiles à remplacer.
Lorsqu'il n'est pas occupé au microscope ou à l'analyse des données, des chercheurs du groupe Murray travaillent à la synthèse de nouveaux nanomatériaux. Crédit :Université de Pennsylvanie
Les chimistes peuvent résoudre ces deux problèmes en concevant des nanomatériaux personnalisés qui ont du platine à la surface tout en utilisant des métaux plus courants, comme le cobalt, en vrac pour assurer la stabilité. Le groupe Murray excelle dans la création de nanomatériaux bien contrôlés, connu sous le nom de nanocristaux, dans lequel ils peuvent contrôler la taille, forme, et la composition de tout nanomatériau composite.
Dans cette étude, Lee s'est concentré sur le catalyseur dans la cathode d'un type spécifique de pile à combustible connue sous le nom de pile à combustible à membrane échangeuse de protons. "La cathode est plus un problème, parce que les matériaux sont soit à base de platine, soit à base de platine, qui sont chers et ont des vitesses de réaction plus lentes, " dit-elle. " La conception du catalyseur pour la cathode est l'objectif principal de la conception d'une bonne pile à combustible. "
Le défi, explique Jishkariani, consistait à créer une cathode dans laquelle les atomes de platine et de cobalt formeraient une structure stable. « Nous savons que le cobalt et le platine se mélangent bien ; cependant, si vous faites des alliages de ces deux, vous avez ajouté des atomes de platine et de cobalt dans un ordre aléatoire, " dit-il. L'ajout de plus de cobalt dans un ordre aléatoire le fait lessiver dans l'électrode, ce qui signifie que la pile à combustible ne fonctionnera que pendant une courte période.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont conçu un catalyseur composé de couches de platine et de cobalt connu sous le nom de phase intermétallique. En contrôlant exactement l'emplacement de chaque atome dans le catalyseur et en verrouillant la structure en place, le catalyseur cathodique était capable de fonctionner pendant des périodes plus longues que lorsque les atomes étaient disposés au hasard. Comme autre découverte inattendue, les chercheurs ont découvert que l'ajout de plus de cobalt au système entraînait une plus grande efficacité, avec un rapport de 1 à 1 du platine au cobalt, mieux que de nombreuses autres structures avec une large gamme de rapports platine/cobalt.
L'instrument de diffusion des rayons X Xeuss 2.0, arrivé au LRSM en 2018, aide les chercheurs à caractériser les structures d'une large gamme de matériaux durs et mous. Crédit :Université de Pennsylvanie
La prochaine étape sera de tester et d'évaluer le matériau intermétallique dans les assemblages de piles à combustible pour faire des comparaisons directes avec les systèmes disponibles dans le commerce. Le groupe Murray travaillera également sur de nouvelles façons de créer la structure intermétallique sans températures élevées et de voir si l'ajout d'atomes supplémentaires améliore les performances du catalyseur.
Ce travail a nécessité une imagerie microscopique à haute résolution, travail que Lee a déjà fait au Brookhaven National Lab mais, grâce à des acquisitions récentes, peut maintenant être fait à Penn dans le Singh Center for Nanotechnology. « Beaucoup des expériences haut de gamme que nous aurions dû parcourir à travers le pays, parfois dans le monde, nous pouvons maintenant faire beaucoup plus près de chez nous, " dit Murray. " Les avancées que nous avons apportées à la microscopie électronique et à la diffusion des rayons X sont un ajout fantastique pour les personnes qui travaillent sur la conversion d'énergie et les études catalytiques. "
Lee a également expérimenté directement comment la recherche en chimie est directement liée aux défis du monde réel. Elle a récemment présenté ce travail à la conférence de l'International Precious Metals Institute et dit que rencontrer des membres de la communauté des métaux précieux a été instructif. "Il y a des entreprises qui étudient la technologie des piles à combustible et parlent de la toute dernière conception des voitures à pile à combustible, " dit-elle. " Vous pouvez interagir avec des personnes qui pensent à votre projet sous différents angles. "
Murray considère cette recherche fondamentale comme un point de départ vers une mise en œuvre commerciale et une application dans le monde réel, soulignant que les progrès futurs reposent sur la recherche prospective qui se déroule actuellement. « En pensant à un monde où nous avons déplacé une grande partie des intrants traditionnels à base de combustibles fossiles, si nous pouvons comprendre cette interconversion d'énergie électrique et chimique, cela permettra de résoudre simultanément quelques problèmes très importants."
