Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) ont attiré beaucoup d’attention en raison de leur efficacité de conversion élevée, de leur faible pollution environnementale et de leur énergie spécifique élevée, qui peuvent être largement utilisées dans des véhicules tels que les automobiles, les avions et les centrales électriques fixes.
Les processus de catalyse électrochimique cathodique et anodique dans l’assemblage d’électrodes à membrane (MEA) sont principalement composés d’étapes unitaires telles que le transfert de masse en phase liquide, l’adsorption et la désorption d’espèces, le transfert d’électrons et la transformation de surface se produisant à l’interface des électrodes en série.
Cela implique que la catalyse électrochimique est un système complexe comprenant de multiples échelles dans l’espace et dans le temps : transfert d’électrons à l’échelle quantique ; les sites actifs à l’échelle atomique ; la limite de phase triple et le mécanisme ORR électrocatalytique au niveau moléculaire ; catalyseur et conducteur protonique à l’échelle nanométrique ; la couche catalytique et MEA à l’échelle micrométrique ; et la pile à combustible à l’échelle du mètre.
En particulier, chacune des échelles pourrait grandement affecter le processus ORR électrochimique et les performances de la cellule. Ainsi, une compréhension approfondie des caractéristiques et du comportement à n’importe quelle échelle est la clé pour améliorer considérablement les performances électrocatalytiques. Parmi les échelles, la conception du catalyseur à l’échelle du nanomètre a attiré une grande attention.
Récemment, le groupe de recherche dirigé par le professeur Zidong Wei et Jing Li de l’Université de Chongqing, en Chine, a décrit les développements récents des catalyseurs ORR à base de carbone à partir de la compréhension mécaniste et de la structure poreuse. La revue a été publiée dans Journal chinois de catalyse.
Le développement de catalyseurs à base de carbone contribue à l’application à grande échelle des piles à combustible et des batteries métal-air en raison de leur rentabilité extrêmement élevée. Cette revue résume les progrès de la recherche concernant les catalyseurs à base de carbone en termes de fabrication de sites actifs, de stabilité du catalyseur et de stratégies de formation de structures poreuses.
La dispersion et le dopage à l’échelle atomique sont les méthodes les plus utilisées pour générer des sites actifs dans des catalyseurs à base de carbone contenant des métaux. Le dopage hétéroatomique est une stratégie courante pour fabriquer des sites actifs dans des catalyseurs à base de carbone sans métal. Nous avons ensuite analysé les causes de la désactivation des catalyseurs et comment améliorer les stabilités et les propriétés anti-empoisonnement des catalyseurs.
Enfin, comme les structures poreuses affectent de manière significative l’exposition des sites actifs et le transfert de masse, les effets des différentes structures poreuses sur l’ORR et les stratégies de préparation des matériaux carbonés micro-, méso- et macroporeux ont été passés en revue.
Plus d’information:
Wenjing Zhang et al, Catalyseurs à base de carbone de la réaction de réduction de l’oxygène : compréhension mécaniste et structures poreuses, Journal chinois de catalyse (2023). DOI : 10.1016/S1872-2067(23)64427-4