Des scientifiques de l’UNSW Sydney ont démontré une nouvelle technique pour créer de minuscules matériaux 3D qui pourraient éventuellement rendre les piles à combustible comme les batteries à hydrogène moins chères et plus durables.
Dans l’étude publiée dans Avancées scientifiquesdes chercheurs de l’École de chimie de l’UNSW Science montrent qu’il est possible de « développer » séquentiellement des structures hiérarchiques interconnectées en 3D à l’échelle nanométrique qui ont des propriétés chimiques et physiques uniques pour soutenir les réactions de conversion d’énergie.
En chimie, les structures hiérarchiques sont des configurations d’unités comme des molécules au sein d’une organisation d’autres unités qui elles-mêmes peuvent être ordonnées. Des phénomènes similaires peuvent être observés dans le monde naturel, comme dans les pétales de fleurs et les branches d’arbres. Mais là où ces structures ont un potentiel extraordinaire, c’est à un niveau au-delà de la visibilité de l’œil humain, à l’échelle nanométrique.
En utilisant des méthodes conventionnelles, les scientifiques ont trouvé difficile de reproduire ces structures 3D avec des composants métalliques à l’échelle nanométrique. Pour comprendre à quel point ces minuscules matériaux 3D doivent être petits, dans un centimètre, il y a 10 millimètres. Si vous deviez compter un million de minuscules segments dans un seul de ces millimètres, chacun d’entre eux serait d’un nanomètre ou d’un nm.
« À ce jour, les scientifiques ont pu assembler des structures de type hiérarchique à l’échelle micrométrique ou moléculaire », explique le professeur Richard Tilley, directeur de l’unité de microscope électronique à l’UNSW et auteur principal de l’étude. « Mais pour obtenir le niveau de précision nécessaire pour assembler à l’échelle nanométrique, nous devions développer une méthodologie ascendante entièrement nouvelle. »
Les chercheurs ont utilisé la synthèse chimique, une approche qui construit des composés chimiques complexes à partir de composés plus simples. Ils ont pu faire pousser avec précaution des branches de nickel à structure cristalline hexagonale sur des noyaux à structure cristalline cubique pour créer des structures hiérarchiques 3D avec des dimensions d’environ 10 à 20 nanomètres.
La nanostructure 3D interconnectée résultante a une surface élevée, une conductivité élevée en raison de la connexion directe d’un noyau métallique et de branches, et a des surfaces qui peuvent être chimiquement modifiées. Ces propriétés en font un support d’électrocatalyseur idéal – une substance qui aide à accélérer la vitesse des réactions – dans la réaction de dégagement d’oxygène, un processus crucial dans la conversion d’énergie. Les propriétés de la nanostructure ont été examinées à l’aide d’une analyse électrochimique à partir de microscopes électroniques de pointe fournis par l’unité de microscope électronique.
« La croissance du matériau étape par étape contraste avec ce que nous faisons en assemblant des structures au niveau du micromètre, qui consiste à commencer par un matériau en vrac et à le graver », explique l’auteur principal de l’étude, le Dr Lucy Gloag, boursière postdoctorale à École de chimie, UNSW Science. « Cette nouvelle méthode nous permet d’avoir un excellent contrôle sur les conditions, ce qui nous permet de garder tous les composants ultra-petits – à l’échelle nanométrique – là où les propriétés catalytiques uniques existent. »
Nanocatalyseurs dans les piles à combustible
Dans les catalyseurs conventionnels, qui sont souvent sphériques, la plupart des atomes sont coincés au milieu de la sphère. Il y a très peu d’atomes à la surface, ce qui signifie que la majeure partie du matériau est gaspillée car elle ne peut pas participer à l’environnement de réaction.
Ces nouvelles nanostructures 3D sont conçues pour exposer plus d’atomes à l’environnement de réaction, ce qui peut faciliter une catalyse plus efficace et efficiente pour la conversion d’énergie, explique le professeur Tilley.
« Si cela est utilisé dans une pile à combustible ou une batterie, le fait d’avoir une surface plus élevée pour le catalyseur signifie que la réaction sera plus efficace lors de la conversion de l’hydrogène en électricité », explique le professeur Tilley.
Le Dr Gloag dit que cela signifie que moins de matériel doit être utilisé pour la réaction.
« Cela finira également par réduire les coûts, rendant la production d’énergie plus durable et, en fin de compte, éloignant davantage notre dépendance des combustibles fossiles. »
Dans la prochaine étape de recherche, les scientifiques chercheront à modifier la surface du matériau avec du platine, qui est un métal catalytique supérieur bien que plus cher. Environ un sixième du coût d’une voiture électrique à lui seul est le platine qui alimente la pile à combustible.
« Ces surfaces exceptionnellement élevées supporteraient un matériau comme le platine à superposer dans des atomes individuels, nous avons donc la meilleure utilisation absolue de ces métaux coûteux dans un environnement de réaction », déclare le professeur Tilley.
Plus d’information:
Lucy Gloag et al, Synthèse de nanostructures métalliques hiérarchiques à hautes surfaces électrocatalytiques, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adf6075