Les véhicules électriques à pile à combustible (FCEV) sont un moyen de transport écologique qui remplacera les locomotives à combustion interne. Les FCEV offrent plusieurs avantages tels qu’un temps de charge court et un long kilométrage. Cependant, le coût excessif du platine utilisé comme catalyseur de pile à combustible conduit à une offre limitée de FCEV. Des recherches approfondies ont été menées sur les catalyseurs de métaux non précieux tels que le fer et le cobalt pour remplacer le platine; cependant, il est toujours difficile de trouver des substituts au platine en raison des faibles performances et de la faible stabilité des catalyseurs en métaux non précieux.
Une équipe de recherche dirigée par le Dr Sung Jong Yoo du Centre de recherche sur les piles à combustible à hydrogène de l’Institut coréen des sciences et technologies (KIST) a mené des recherches conjointes avec le professeur Jinsoo Kim de l’Université Kyung Hee et le professeur Hyung-Kyu Lim de l’Université nationale de Kangwon ; ils ont annoncé avoir développé un seul catalyseur atomique à base de cobalt avec des performances et une stabilité améliorées d’environ 40 % par rapport aux catalyseurs contemporains à base de nanoparticules de cobalt. Leurs recherches sont publiées dans Catalyse appliquée B : environnementale.
Les catalyseurs conventionnels sont généralement synthétisés par pyrolyse, dans laquelle les précurseurs de métaux de transition et le carbone sont mélangés à 700–1000℃. Cependant, en raison de l’agrégation des métaux et d’une faible surface spécifique, les catalyseurs obtenus par ce procédé avaient une activité limitée. En conséquence, les chercheurs se sont concentrés sur la synthèse de catalyseurs à un seul atome ; cependant, les catalyseurs monoatomiques précédemment signalés ne peuvent être produits qu’en petites quantités car les substances chimiques et les méthodes de synthèse utilisées varient en fonction du type de catalyseur synthétisé. Par conséquent, la recherche s’est concentrée sur l’amélioration des performances du catalyseur plutôt que sur le processus de fabrication.
Pour résoudre ce problème, la méthode de pyrolyse par pulvérisation a été mise en œuvre à l’aide d’un humidificateur industriel. Des particules en forme de gouttelettes ont été obtenues par traitement thermique rapide des gouttelettes obtenues à partir d’un humidificateur. Cela peut permettre une production de masse grâce à un processus continu, et tous les métaux peuvent être facilement transformés en particules. Les matériaux utilisés pour la synthèse des particules métalliques doivent être solubles dans l’eau car les particules sont fabriquées à travers un humidificateur industriel.
Il a été confirmé que les catalyseurs monoatomiques à base de cobalt développés par ce procédé présentent une excellente stabilité ainsi que des performances de pile à combustible et sont 40 % supérieurs par rapport aux catalyseurs au cobalt conventionnels. Les catalyseurs à base de cobalt provoquent également des réactions secondaires dans les piles à combustible ; cependant, la science informatique a montré que les catalyseurs fabriqués par pyrolyse par pulvérisation conduisent à des réactions directes dans les piles à combustible.
Le Dr Yoo a précisé : « Grâce à cette recherche, un processus qui peut permettre une amélioration considérable de la production de masse de catalyseurs monoatomiques à base de cobalt a été développé, et le mécanisme de fonctionnement des catalyseurs à base de cobalt a été élucidé grâce à des analyses approfondies et des calculs. Ces résultats devraient servir d’indicateurs pour les recherches futures sur les catalyseurs au cobalt. Ils ont également ajouté : « Nous prévoyons d’élargir la portée des recherches futures pour explorer non seulement les catalyseurs pour les piles à combustible, mais aussi les catalyseurs environnementaux, l’électrolyse de l’eau et les champs de batteries. »
Kyungmin Im et al, Conception de Co-NC comme électrocatalyseur efficace : la structure unique et le site actif pour une durabilité remarquable des piles à combustible à membrane échangeuse de protons, Catalyse appliquée B : environnementale (2022). DOI : 10.1016/j.apcatb.2022.121220
Fourni par le Conseil national de recherches sur la science et la technologie