Une anode de nickel dopée à l’azote et revêtue de carbone peut catalyser une réaction essentielle dans les piles à combustible à hydrogène à une fraction du coût des métaux précieux actuellement utilisés, ont découvert des chercheurs de l’Université Cornell.
Cette nouvelle découverte pourrait accélérer l’utilisation généralisée des piles à combustible à hydrogène, qui sont très prometteuses en tant que sources d’énergie efficaces et propres pour les véhicules et d’autres applications.
C’est l’une des nombreuses découvertes du laboratoire Héctor D. Abruña dans sa recherche continue de catalyseurs actifs, peu coûteux et durables à utiliser dans les piles à combustible alcalines.
« Cette découverte fait des progrès vers l’utilisation de piles à hydrogène efficaces et propres à la place des combustibles fossiles », a déclaré Abruña, professeur Emile M. Chamot au Département de chimie et de biologie chimique du Collège des arts et des sciences.
Les résultats publiés le 21 mars dans « A Completely Precious-Metal-Free Alkaline Fuel Cell With Enhanced Performance Using a Carbon-Coated Nickel Anode », dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
Des métaux précieux coûteux, tels que le platine, sont actuellement nécessaires dans les piles à combustible à hydrogène pour catalyser efficacement les réactions qu’elles utilisent pour produire de l’électricité. Bien que les piles à combustible à membrane électrolyte polymère alcaline (APEMFC) permettent l’utilisation d’électrocatalyseurs en métaux non précieux, elles manquent des performances et de la durabilité nécessaires pour remplacer les systèmes à base de métaux précieux.
Une pile à combustible produit de l’électricité par la réaction d’oxydation de l’hydrogène (HOR) et une réaction de réduction de l’oxygène (OOR). Le platine, en particulier, est un catalyseur modèle pour les deux réactions car il les catalyse efficacement et est durable dans l’environnement acide d’une pile à combustible PEM, a déclaré Abruña.
Mais qu’en est-il des autres matériaux ?
Des expériences récentes avec des électrocatalyseurs HOR en métaux non précieux visaient à surmonter deux défis majeurs, ont écrit les chercheurs : une faible activité intrinsèque due à une énergie de liaison à l’hydrogène trop forte et une faible durabilité due à la passivation rapide de la formation d’oxyde métallique.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont conçu un électrocatalyseur à base de nickel avec une coque de 2 nanomètres en carbone dopé à l’azote.
Leur pile à combustible à hydrogène a une anode (où l’hydrogène est oxydé) catalyseur constitué d’un noyau solide en nickel entouré d’une coque en carbone. Lorsqu’elle est associée à une cathode au cobalt-manganèse (où l’oxygène est réduit), la pile à combustible à hydrogène entièrement exempte de métaux précieux produit plus de 200 milliwatts par centimètre carré.
La présence d’espèces d’oxyde de nickel à la surface de l’électrode de nickel ralentit considérablement la réaction d’oxydation de l’hydrogène, a déclaré Abruña. Le revêtement de carbone dopé à l’azote sert de couche de protection et améliore la cinétique HOR, rendant la réaction plus rapide et beaucoup plus efficace.
De plus, la présence du revêtement de graphène sur l’électrode de nickel empêche la formation d’oxydes de nickel, ce qui donne des électrodes avec des durées de vie considérablement améliorées. Ces électrodes sont aussi beaucoup plus tolérantes au monoxyde de carbone qui empoisonne rapidement le platine.
« L’utilisation de cette nouvelle anode réduirait considérablement les prix permettant l’application de piles à combustible alcalines dans une grande variété de domaines », a déclaré Abruña.
Les co-auteurs incluent Francis DiSalvo, professeur émérite de chimie John A. Newman; Yao Yang, Ph.D. ’21; David Muller, professeur d’ingénierie Samuel B. Eckert au College of Engineering et codirecteur de l’Institut Kavli de Cornell pour la science à l’échelle nanométrique, ainsi que des collaborateurs de l’Université de Wuhan dans le laboratoire de Lin Zhuang et de l’Université du Wisconsin, Madison avec Manos Mavrikakis.
En février, Abruña et ses collègues, dont DiSalvo, ont découvert qu’un catalyseur au nitrure de cobalt est presque aussi efficace que le platine pour catalyser la réaction de réduction de l’oxygène.
Yunfei Gao et al, Une pile à combustible alcaline entièrement sans métaux précieux avec des performances améliorées utilisant une anode en nickel revêtue de carbone, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2119883119