Une pile à combustible est un générateur d’énergie électrique capable de produire de l’électricité à partir d’hydrogène gazeux tout en rejetant uniquement de l’eau comme déchet. On espère que ce système d’énergie propre hautement efficace jouera un rôle clé dans l’adoption de l’économie de l’hydrogène, remplaçant les moteurs à combustion et les batteries des automobiles et des camions, ainsi que les centrales électriques.
Cependant, le coût du platine, qui peut atteindre environ 30 000 USD par kg, a été une limitation majeure, rendant les catalyseurs pour piles à combustible d’un coût prohibitif. Les méthodes de production de catalyseurs hautement performants ont également été compliquées et largement limitées. En conséquence, le développement d’une méthode de production facile et évolutive pour les catalyseurs de piles à combustible à base de platine est un défi urgent, ainsi que l’amélioration des performances et de la stabilité catalytiques tout en utilisant une quantité minimale de platine.
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche dirigée par le professeur Sung Yung-Eun et le professeur Hyeon Taeghwan du Centre de recherche sur les nanoparticules (CNR) de l’Institut des sciences fondamentales (IBS), en Corée du Sud, a découvert une nouvelle méthode de production de nanocatalyseurs.
Les chercheurs ont démontré que ces nanoparticules d’alliage cobalt-platine (Co-Pt) de taille uniforme (3-4 nanomètres) peuvent être produites par un simple traitement thermique. Cette méthode a des caractéristiques combinées de la facilité de la synthèse de la méthode d’imprégnation, ainsi que le contrôle précis de la taille et de la forme des nanocristaux similaires à la méthode colloïdale.
Les nouveaux nanocatalyseurs en alliage Co-Pt développés par l’équipe CNR-IBS sont constitués de deux complexes métalliques de charges opposées, en particulier des ions Co et Pt entourés respectivement de ligands bipyridine et chlore.
L’équipe de recherche a émis l’hypothèse qu’un simple traitement thermique entraînerait la décomposition thermique du ligand bipyridine en une coque en carbone qui peut protéger les nanoparticules d’alliage Co-Pt en croissance. Après avoir optimisé les conditions de traitement thermique, ils ont réussi à obtenir un nanocatalyseur très uniforme avec des nanoparticules de seulement 3 à 4 nanomètres.
Dans le nanocatalyseur développé par le groupe, les atomes de Co et de Pt étaient disposés de manière régulière appelée «phase intermétallique», où les atomes de Co instables sont stabilisés par les atomes de Pt environnants. De plus, lorsque l’azote était efficacement dopé sur le support de carbone, les ionomères (conducteurs de protons) étaient dispersés de manière homogène sur toute la couche de catalyseur dans la pile à combustible, ce qui facilitait mieux l’apport d’oxygène gazeux à la surface du nanocatalyseur Co-Pt.
Ces caractéristiques structurelles se sont ajoutées à une performance de puissance nettement améliorée dans la pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant une puissance nominale spécifique élevée de 5,9 kW/gPt, soit environ le double des performances actuelles d’un véhicule commercial à hydrogène. Le catalyseur produit par l’équipe a atteint la plupart des objectifs fixés pour 2025 par le Département américain de l’énergie (DOE) dans le but d’un fonctionnement stable à long terme de la pile à combustible.
L’équipe CNR-IBS est convaincue que cette étude stimulerait le développement de catalyseurs pour piles à combustible de nouvelle génération. Ces découvertes contribueraient également à l’amélioration des performances catalytiques et de la durabilité des nanocatalyseurs en alliage pour diverses autres applications électrocatalytiques.
Le professeur Hyeon a déclaré : « La conception d’un nouveau composé bimétallique en tant que matériau précurseur a été le point de départ critique de cette étude. Nous avons développé une technologie de plate-forme pour produire une forme compliquée de nanocatalyseurs en alliage grâce à une méthode simple et évolutive, et nous avons finalement atteint une performance de puissance de pile à combustible améliorée avec moins de quantité de platine utilisée. »
Le professeur Sung a déclaré : « Un niveau de performance de pile à combustible de classe mondiale a été atteint dans cette recherche, dépassant la plupart des objectifs de 2025 du DOE américain en réduisant la quantité de platine qui peut contribuer jusqu’à environ 40 % du coût du carburant. cellules. » Il a ajouté : « Nous nous attendons à ce que cette étude, ainsi que certaines études de suivi, aient un impact considérable sur la croissance de l’industrie des véhicules à hydrogène et sur la réalisation de l’économie de l’hydrogène dans un proche avenir. »
L’étude est publiée dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnement.
Plus d’information:
Tae Yong Yoo et al, Production évolutive d’un électrocatalyseur intermétallique Pt – Co pour les piles à combustible à membrane échangeuse de protons à haute puissance, Sciences de l’énergie et de l’environnement (2023). DOI : 10.1039/D2EE04211H