Des scientifiques travaillant au Département des nanomatériaux fonctionnels de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences ont conçu et synthétisé un ternaire fonctionnel Pt/Re/SnO 2 /C catalyseur comme matériau d'anode dans une pile à combustible à éthanol direct. Cela a été possible en synthétisant du platine, nanoparticules de rhénium et d'oxyde d'étain de forme sphérique et assurant un contact physique entre elles. Cette découverte conduira à la production de produits plus efficaces, catalyseurs de piles à combustible plus écologiques et moins chers.

L'un des plus grands défis auxquels la science moderne est confrontée aujourd'hui est le développement de nouvelles, technologies efficaces et respectueuses de l'environnement pour convertir l'énergie chimique en électricité. Les piles à combustible à l'éthanol deviennent une source d'énergie alternative. L'éthanol semble être le carburant idéal du futur, car, par rapport au méthanol ou à l'hydrogène, il a une toxicité nettement plus faible, ne pose aucun problème ni menace lors du stockage et du transport, et peut également être obtenu à partir de la biomasse. Cependant, les catalyseurs utilisés dans les piles à combustible à éthanol direct (DEFC) ne sont pas suffisamment efficaces et produisent principalement des sous-produits à la place du produit final éthanol attendu, comme le dioxyde de carbone. Ces substances s'adsorbent fortement à la surface du platine, qui est le catalyseur le plus couramment utilisé. Par conséquent, ils bloquent les sites catalytiquement actifs empêchant une réaction ultérieure, provoquant ainsi ce que l'on appelle un empoisonnement du catalyseur et diminuant l'efficacité globale du dispositif. Par conséquent, le principal défi est de développer le type approprié de catalyseurs.

Les catalyseurs au platine et à base de platine sont largement utilisés dans les DEFC. L'adsorption d'éthanol se produit à la surface du platine, qui déclenche sa réaction d'oxydation (Ethanol Oxidation Reaction - EOR). Les problèmes d'empoisonnement peuvent être résolus en ajoutant d'autres composants au platine, tels que les oxydes métalliques de rhodium et d'étain, qui améliorent l'efficacité de l'EOR car ils jouent un rôle unique et individuel dans la voie d'oxydation de l'éthanol. La fonction du rhodium est de diviser la liaison carbone-carbone dans la molécule d'éthanol, tandis que le dioxyde d'étain fournit des groupes hydroxyle pour les intermédiaires oxydants et aide à débloquer la surface inactive du platine. En plus du rhodium et de l'étain, éléments tels que Ru, Je, Cu, Fe, Co, Ni et bien d'autres sont également utilisés. Nanocatalyseur ternaire contenant des nanoalliages de platine et de rhodium déposés sur oxyde d'étain, qui est actuellement considérée comme l'une des configurations les plus efficaces et sélectives dans la réaction d'oxydation de l'éthanol, a également été largement étudiée. Il est également suggéré que le contact physique entre les nanoparticules joue un rôle crucial.

Des scientifiques du Département des nanomatériaux fonctionnels de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences, dirigé par le Prof. Ing. Magdalena Parlinska-Wojtan, a entrepris de concevoir et de synthétiser un nouveau matériau, qui pourrait jouer le rôle d'un catalyseur d'anode. Dans ce but, ils ont décidé d'analyser l'effet du rhénium, utilisé comme l'un des trois composants du catalyseur, sur l'amélioration de l'efficacité de l'EOR. De plus, les chercheurs ont supposé qu'en utilisant des interactions intermoléculaires et des mesures de potentiel électrocinétique, il serait possible d'assembler le Pt synthétisé séparément, Rê et SnO 2 nanoparticules en combinaisons doubles et triples pour assurer leur contact physique. Cet assemblage est possible grâce aux valeurs opposées du potentiel électrocinétique de chaque type de nanoparticules. Lors de la réalisation d'études de stabilité, les chercheurs se sont également concentrés sur la durabilité du catalyseur car la dégradation des composants du nanocatalyseur est un facteur sérieux limitant la stabilité et la commercialisation des catalyseurs.

« Dans la première étape de notre travail, nous avons optimisé les procédés d'obtention de nanoparticules individuelles :platine, oxyde de rhénium et d'étain, qui étaient destinés à être les composants d'un catalyseur anodique, " dit le Dr. Eng. Elzbieta Drzymala de la FIJ PAN, l'auteur principal de la publication scientifique, décrivant les détails des études menées. "Puis, en utilisant des interactions intermoléculaires, nous assemblons des nanoparticules synthétisées individuellement pour assurer un contact physique entre elles. De cette façon, nous avons obtenu des combinaisons de nanoparticules binaires et ternaires, qui ont ensuite été déposés sur des substrats de carbone avec une répartition uniforme pour fournir aux molécules d'éthanol le meilleur accès aux surfaces actives. L'étape suivante consistait à étudier les propriétés électrochimiques de combinaisons binaires et ternaires sélectionnées compte tenu de leur utilisation potentielle comme matériau d'anode dans les piles à combustible à l'éthanol. Finalement, nous avons comparé les résultats de notre travail avec un catalyseur au platine commercial."

Les résultats obtenus se sont avérés très importants et ont encouragé la poursuite des recherches sur ce type de matériaux. Le catalyseur développé par le groupe IFJ PAN en Pt, Rê et SnO 2 les nanoparticules peuvent être utilisées avec succès comme catalyseur d'anode dans les DEFC. Les analyses réalisées en microscopie électronique à transmission (MET) en combinaison avec la spectroscopie EDS ont confirmé le contact physique entre les nanoparticules formant le ternaire Pt/Re/SnO 2 /C catalyseur (voir figure). Il a été prouvé expérimentalement par des techniques voltamétriques que ce catalyseur ternaire présente une activité plus de dix fois supérieure dans la réaction d'oxydation de l'éthanol par rapport à un catalyseur au platine commercial. Outre, il a été démontré que le Pt/Re/SnO 2 Le catalyseur /C présente la meilleure stabilité - après test, il a conservé près de 96 % de la surface électrochimiquement active (contre 12 % pour le catalyseur commercial). Il est également important que le catalyseur ternaire présente la valeur la plus faible du potentiel d'apparition - la valeur du potentiel d'oxydation initial est inférieure de près de 0,3 V à celle d'un catalyseur au platine commercial. Ainsi, l'utilisation du rhénium comme troisième composant et la connexion des nanoparticules de manière à ce qu'elles restent en contact physique ont généré l'effet souhaité d'amélioration de l'efficacité de l'EOR.

"Nos recherches ultérieures continueront de se concentrer sur les catalyseurs de piles à combustible, " explique le Dr Eng. Drzymala. " Cependant, aller plus loin, nous aimerions résoudre les problèmes économiques et développer un système catalytique avec des propriétés meilleures ou au moins comparables mais sans ajout de platine. Je pense que l'utilisation de nanoparticules sans platine décorées avec un petit SnO de 2 nanomètres 2 les nanoparticules en tant que composants d'un tel catalyseur nous rapprocheront de la création d'un matériau entièrement fonctionnel pour l'anode de la pile à combustible. J'espère que le catalyseur sans platine sera bientôt synthétisé au Département des nanomatériaux fonctionnels de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences."