Par rapport aux autres types de batteries, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons présentent les avantages d’une puissance de décharge élevée et d’une absence de pollution, ce qui constitue également un vecteur important pour la conversion et l’utilisation de l’énergie de l’hydrogène. Les composés intermétalliques du platine jouent un rôle important en tant qu’électrocatalyseurs dans une série de technologies énergétiques et environnementales telles que les piles à combustible à membrane échangeuse de protons.
Cependant, le processus de synthèse des composés intermétalliques du platine doit être réorganisé en liaisons métalliques Pt–M ordonnées sous l’effet de la température élevée (~600°C), ce qui a généralement des effets secondaires importants sur la structure du catalyseur, tels que la distribution inégale de la taille, de la morphologie, de la composition et de la structure, ce qui affecte davantage les performances du catalyseur et des batteries.
En réponse à ce défi, le groupe du professeur Changzheng Wu de l’Université des sciences et technologies de Chine a introduit des atomes semi-métalliques, tels que Ge, Sb, Te dans le processus de synthèse de composés intermétalliques à base de platine. La recherche est publié dans le journal Revue nationale des sciences.
Les liaisons chimiques formées entre les éléments semi-métalliques et les atomes de platine (Pt–Ge, Pt–Sb, Pt–Te) présentent à la fois les caractéristiques des liaisons métalliques et covalentes, brisant ainsi la limitation de la température de synthèse des composés intermétalliques du platine. Elles sont également bénéfiques pour la réaction électrocatalytique des piles à combustible à membrane échangeuse de protons.
En raison du remplissage partiel des orbitales p dans les éléments de métallisation, la liaison de rétroaction dp π se forme entre les atomes de platine et les atomes semi-métalliques sous forme d’interaction covalente forte. Cette force peut être utilisée comme force motrice pour favoriser l’agencement ordonné dans le processus de synthèse à haute température des composés intermétalliques, brisant ainsi la limite de température pour la synthèse des composés intermétalliques du platine.
De plus, les caractéristiques des liaisons métalliques et des liaisons covalentes peuvent favoriser davantage le transfert d’électrons et le remplissage orbital des sites actifs du platine dans les piles à combustible, de manière à améliorer l’activité catalytique et la capacité antitoxique.
Les composés intermétalliques semi-métalliques-platine peuvent être synthétisés à seulement 300°C et présentent une activité de réduction de l’oxygène extrêmement élevée sous toxicité du CO dans les tests électrochimiques des piles à combustible (activité massique de 0,794 A mg−1 à une tension de 0,9 V, atténuation de 5,1 % sous toxicité du CO), soit 11 fois celle des catalyseurs Pt/C commerciaux.
Cette étude réalise l’optimisation de la liaison et de l’orbite dans la synthèse et les conditions de travail des catalyseurs de piles à combustible en introduisant des semi-métaux, et fournit de nouvelles perspectives pour la conception rationnelle d’électrocatalyseurs avancés pour les piles à combustible.
Plus d’informations :
Han Cheng et al., Interaction covalente déclenchée par un semi-métal dans les intermétalliques à base de Pt pour l’électrocatalyse des piles à combustible, Revue nationale des sciences (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae233