Une équipe de recherche dirigée par l'Université de Tsukuba a développé avec succès une nouvelle méthode capable d'empêcher le croisement de grosses molécules de carburant et de supprimer la dégradation des électrodes dans la technologie avancée des piles à combustible utilisant du méthanol ou de l'acide formique.

Le tamisage réussi des molécules de carburant est obtenu via des transferts sélectifs de protons dus à un obstacle stérique sur des feuilles de graphène trouées qui ont une fonctionnalisation chimique et agissent comme des membranes échangeuses de protons.

Pour atteindre la neutralité carbone, la demande de développement de technologies de piles à combustible directes méthanol/acide formique est croissante. Dans cette technologie, le méthanol ou l'acide formique est utilisé comme carburant électronique pour produire de l'électricité.

Les piles à combustible produisent de l'électricité par transfert de protons; cependant, les membranes échangeuses de protons classiques souffrent du « phénomène de croisement », dans lequel les molécules de combustible sont également transférées entre les anodes et les cathodes. Par la suite, les molécules de carburant sont inutilement oxydées et les électrodes sont désactivées.

Dans une étude publiée dans Advanced Science , les chercheurs ont développé une nouvelle membrane échangeuse de protons comprenant des feuilles de graphène avec des trous de 5 à 10 nm de diamètre, qui sont chimiquement modifiées avec des groupes fonctionnels sulfaniliques fournissant des groupes sulfo autour des trous.

Grâce à l'encombrement stérique des groupes fonctionnels, la membrane de graphène supprime avec succès le phénomène de croisement en bloquant la pénétration des molécules de carburant tout en maintenant une conductivité protonique élevée, peut-être pour la première fois, selon les chercheurs.

Jusqu'à présent, les approches conventionnelles pour inhiber la migration des molécules de combustible impliquaient une augmentation de l'épaisseur de la membrane ou la prise en sandwich de matériaux bidimensionnels, ce qui réduisait la conductivité protonique.

Dans cette étude, les chercheurs ont étudié les structures qui inhibent la migration des molécules de carburant par traînée électro-osmotique et obstacle stérique. Par conséquent, ils ont découvert que la membrane de graphène fonctionnalisée sulfanilique peut remarquablement supprimer la dégradation des électrodes par rapport aux membranes Nafion disponibles dans le commerce tout en maintenant la conductivité protonique requise pour les piles à combustible.

De plus, le simple fait de coller la membrane de graphène sur une membrane échangeuse de protons conventionnelle peut supprimer le phénomène de croisement. Ainsi, cette étude contribue au développement de piles à combustible avancées comme nouvelle alternative aux piles à combustible de type hydrogène.

Plus d'informations : Samuel Jeong et al, Suppression du croisement du méthanol et du formiate à travers le graphène troué fonctionnalisé sulfanilique en tant que membranes échangeuses de protons, Science avancée (2023). DOI : 10.1002/advs.202304082

Informations sur le journal : Science avancée

Fourni par l'Université de Tsukuba