Les piles à combustible à l’éthanol sont considérées comme des sources prometteuses d’électricité verte. Cependant, des catalyseurs au platine coûteux sont utilisés dans leur production. Les recherches sur la fusion laser des suspensions menées à l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences à Cracovie ont conduit les chercheurs à trouver des matériaux qui catalysent l'éthanol avec une efficacité similaire, voire supérieure, à celle du platine, mais qui sont constitués d'un élément c'est plusieurs fois moins cher que le platine.
Lorsque des impulsions laser irradient une suspension de nanoparticules, les particules de la suspension peuvent commencer à fondre et se coller les unes aux autres de façon permanente, tout en subissant rapidement des réactions chimiques plus ou moins complexes. L'un des récents matériaux ainsi obtenus, produit à l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, s'avère avoir une efficacité étonnamment élevée dans la catalyse de l'éthanol, un composé considéré comme une source d'énergie prometteuse. source pour les piles à combustible.
L'éthanol est un carburant qui présente de nombreux avantages :il peut être produit de manière renouvelable (par exemple à partir de la biomasse), il peut être facilement stocké et il est peu toxique. Ce qui est particulièrement important, cependant, est le fait qu'une quantité d'électricité pouvant être obtenue à partir d'une unité de masse d'éthanol peut être plusieurs fois supérieure à celle des sources d'énergie populaires actuelles.
L'électricité dans les piles à combustible alimentées à l'éthanol est générée par des processus associés à l'oxydation de cet alcool sur la couche catalytique de la réaction. Malheureusement, les catalyseurs actuels ne permettent pas l'oxydation rapide et complète de l'éthanol en eau et en dioxyde de carbone. En conséquence, non seulement les cellules ne parviennent pas à atteindre une efficacité maximale, mais elles produisent également des sous-produits indésirables qui se déposent sur le catalyseur et, avec le temps, conduisent à la disparition de ses propriétés.
"Un obstacle considérable au succès commercial des cellules à éthanol est également leur prix. Le catalyseur que nous avons trouvé peut avoir un impact significatif sur sa réduction et, par conséquent, sur la disponibilité de nouvelles cellules sur le marché grand public. En effet, son composant principal n'est pas du platine, mais du cuivre, qui est presque 250 fois moins cher que le platine", déclare le Dr Mohammad Shakeri (IFJ PAN), premier auteur de l'article dans la revue Advanced Functional Materials.
La réussite des scientifiques de l'IFJ PAN est le résultat de recherches menées sur le contrôle laser de la taille et de la composition chimique des agglomérats en suspension. L'idée principale derrière la nanosynthèse laser de composites est l'irradiation d'une suspension contenant des agglomérats de nanoparticules d'une substance chimique spécifique avec des impulsions de lumière laser non focalisée avec des paramètres sélectionnés de manière appropriée.
L'énergie correctement délivrée fait augmenter la température des particules, elles fondent à la surface et s'agglutinent en structures de plus en plus grandes, qui refroidissent rapidement au contact du liquide froid environnant. La température atteinte par les particules est déterminée par de nombreux facteurs, dont l'énergie des photons émis par le laser, l'intensité du faisceau, la fréquence et la durée des impulsions, et même la taille des agglomérats en suspension.
"En fonction de la température atteinte par les agglomérats, diverses réactions chimiques peuvent avoir lieu dans le matériau en plus des changements de nature purement structurelle. Dans nos recherches, nous nous sommes concentrés sur l'analyse théorique et expérimentale la plus précise des phénomènes physiques et chimiques dans des suspensions dans lesquelles les impulsions de lumière laser étaient absorbées par des nanoparticules de cuivre et de ses oxydes", explique le Dr Zaneta Swiatkowska-Warkocka (IFJ PAN).
Dans le cas de particules réelles en solution, l’augmentation de la température se produit en nanosecondes, trop rapidement pour être mesurée. Dans cette situation, les analyses théoriques de dynamique moléculaire sont devenues la première étape dans la compréhension des systèmes de cuivre étudiés, soutenues ultérieurement par des simulations effectuées par le cluster informatique Prometheus de Cracovie.
Grâce à eux, les chercheurs ont déterminé à quelles températures les agglomérats de différentes tailles seraient chauffés et quels composés pourraient se former au cours de ces processus. En outre, ils ont vérifié si ces composés seraient thermodynamiquement stables ou subiraient d’autres transformations. Les physiciens ont utilisé les connaissances acquises pour préparer une série d'expériences dans lesquelles des nanoparticules de cuivre et ses oxydes ont été fusionnées au laser dans diverses proportions.
Les matériaux composites obtenus ont été testés dans les laboratoires de l'IFJ PAN et dans le cyclotron SOLARIS de Cracovie, entre autres, pour déterminer le degré d'oxydation des composés de cuivre. Les informations obtenues ont permis aux chercheurs d'identifier le catalyseur optimal. Il s'est avéré qu'il s'agissait d'un système à trois composants construit à partir de proportions appropriées de cuivre et de ses oxydes du premier et du deuxième état d'oxydation (c'est-à-dire Cu2 O et CuO).
"Du point de vue de l'efficacité de la catalyse à l'éthanol, la découverte cruciale était que les particules d'oxyde de cuivre Cu2 O3 , qui sont généralement très instables thermodynamiquement, étaient présents dans notre matériau. D'une part, ils se caractérisent par un degré d'oxydation extrêmement élevé, d'autre part, on les retrouve principalement à la surface du Cu2 O particules, ce qui signifie en pratique qu'elles ont eu un très bon contact avec la solution. Ce sont ces Cu2 O3 des particules qui facilitent l'adsorption des molécules d'alcool et la rupture des liaisons carbone-hydrogène qu'elles contiennent", déclare le Dr Shakeri.
Les tests effectués par les physiciens de Cracovie sur les propriétés du catalyseur se sont soldés par des résultats optimistes. Le composite sélectionné a conservé la capacité d’oxyder complètement l’éthanol même après plusieurs heures d’utilisation. De plus, son efficacité électrocatalytique s'est avérée comparable à celle des catalyseurs au platine contemporains.
D’un point de vue scientifique, ce résultat est tout à fait étonnant. La catalyse se déroule généralement d'autant plus efficacement que la surface des agglomérats est grande, ce qui est lié à la fragmentation de leur structure. Cependant, le composite étudié n’était pas de taille nanométrique, mais de plusieurs ordres de grandeur plus grand, de taille submicronique. Il semble donc probable que si les physiciens parviennent à réduire la taille des particules à l'avenir, l'efficacité du nouveau catalyseur pourrait encore augmenter.
Plus d'informations : Mohammad Sadegh Shakeri et al, Fusion locale alternative-solidification de nanoparticules en suspension pour la formation d'hétérostructures permise par irradiation laser pulsée, Matériaux fonctionnels avancés (2023). DOI :10.1002/adfm.202304359
Informations sur le journal : Matériaux fonctionnels avancés
Fourni par l'Académie polonaise des sciences
