Il est urgent de lutter contre le changement climatique, ce qui rend le développement d’alternatives énergétiques durables plus important que jamais. Bien que les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) se soient révélées très prometteuses pour la production d'énergie, en particulier dans l'industrie des transports, leur durabilité et leur coût posent depuis longtemps un problème.
Une équipe de recherche occidentale a résolu le problème avec un nouveau nanomatériau modifié au cobalt rendant les PEMFC plus robustes, faciles à obtenir et respectueux de l'environnement, démontrant une perte de seulement 2 % du taux d'efficacité après 20 000 cycles lors d'un test de durabilité.
Le nouveau nanomatériau est utilisé pour améliorer la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), le processus qui forme de l'eau dans la pile à combustible, permettant un courant plus élevé pour une production d'énergie plus efficace. Le nanomatériau modifié au cobalt réduit également la dépendance au platine pour construire ces piles à combustible. Métal précieux coûteux, extrait principalement en Afrique du Sud, seules quelques centaines de tonnes de platine sont produites chaque année.
Tsun-Kong (T.K.) Sham, Xueliang (Andy) Sun, Ali Feizabadi et leurs collaborateurs du département de chimie et d'ingénierie de Western ont présenté le nouveau catalyseur ORR modifié au cobalt dans The Journal of Physical Chemistry C.
"Des approches de pointe, notamment l'alliage du platine avec d'autres métaux de transition et la création de structures noyau-coquille, présentent des possibilités passionnantes en réduisant la demande de platine dans les piles à combustible tout en maintenant une activité catalytique exceptionnelle", a déclaré Sham, titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et le rayonnement synchrotron. et un auteur principal de l'étude. "Mais malgré des progrès significatifs, le talon d'Achille reste la durabilité de ces catalyseurs en raison de structures intrinsèquement instables."
L'équipe Sham and Sun a utilisé une méthode appelée « dopage au cobalt » pour modifier la surface et les zones proches de la surface des nanoparticules noyau-coquille de platine-palladium.
"Le dopage est la pratique consistant à introduire de très petites quantités d'atomes étrangers particuliers dans la structure cristalline d'une nanoparticule pour modifier ses propriétés électroniques. Ces atomes étrangers sont appelés dopants", a déclaré Feizabadi, ancien analyste du groupe de recherche Sham et auteur principal de l'étude.
Les nouvelles nanoparticules dopées au cobalt démontrent une stabilité exceptionnelle, ne subissant qu'une perte de 2 % de leur activité initiale après 20 000 cycles « épuisants » d'un test de durabilité accéléré, utilisé pour mieux comprendre les mécanismes de dégradation des catalyseurs dans des environnements de laboratoire contrôlés. P>
"Cela souligne le rôle remarquable du cobalt dans l'amélioration de l'activité catalytique et le renforcement de l'intégrité structurelle du catalyseur", a déclaré Sham, un leader mondial dans le développement de nouvelles techniques spectroscopiques à rayons X.
Pour une meilleure compréhension du comportement et de la composition du catalyseur, l'équipe de recherche a étudié les nouvelles nanoparticules à l'aide de la ligne de faisceau de micro-analyse à rayons X durs de Canadian Light Source, l'installation nationale de source de lumière synchrotron du Canada à l'Université de la Saskatchewan.
Les nanoparticules ont également été analysées à l'Advanced Photon Source de Lemont, dans l'Illinois, et à la Taiwan Photon Source pour l'étude.
"Ces nanoparticules dopées au cobalt sont extrêmement prometteuses en tant que catalyseurs ORR hautement efficaces et durables, représentant une avancée significative dans le domaine de la technologie des piles à combustible", a déclaré Sun, professeur d'ingénierie occidentale et expert de premier plan en nanomatériaux et en énergie propre.
"Cette approche globale jette un nouvel éclairage sur le comportement et la structure des catalyseurs, nous rapprochant ainsi de solutions énergétiques durables."
Plus d'informations : Ali Feizabadi et al, Nanoparticules noyau-coquille Pd@Pt dopées au cobalt :étude corrélative de la structure électronique et de l'activité catalytique dans l'ORR, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI :10.1021/acs.jpcc.3c04274
Informations sur le journal : Journal de Chimie Physique C
Fourni par l'Université de Western Ontario
