Des chercheurs de l’Université de Chiba ont découvert que l’ajout de caféine aux électrodes de platine des piles à combustible peut améliorer considérablement leur efficacité en améliorant la réaction de réduction de l’oxygène. Cette avancée pourrait potentiellement réduire les besoins en platine, rendant ainsi les piles à combustible plus rentables et plus efficaces. Cette avancée est cruciale pour l’adoption plus large des piles à combustible dans diverses applications, notamment les transports et la production d’électricité, dans le cadre de la transition mondiale vers des sources d’énergie durables.
La caféine améliore les performances de la pile à combustible en stimulant l’activité de la réaction de réduction de l’oxygène.
Dans le cadre des efforts déployés à l’échelle mondiale pour abandonner les combustibles fossiles, les piles à combustible apparaissent comme une source d’énergie notable sans émissions de carbone. Ces cellules sont constituées d’une anode et d’une cathode, divisées par un électrolyte, et transforment directement l’énergie chimique du combustible en énergie électrique. Le combustible est introduit dans l’anode et un agent oxydant, généralement de l’oxygène de l’air, est fourni à la cathode.
Dans une pile à combustible à hydrogène, l’hydrogène subit une oxydation à l’anode, produisant des ions et des électrons hydrogène. Les ions se déplacent à travers l’électrolyte jusqu’à la cathode et les électrons circulent à travers un circuit externe, générant de l’électricité. À la cathode, l’oxygène se combine aux ions hydrogène et aux électrons, ce qui donne de l’eau comme seul sous-produit.
Cependant, la présence d’eau affecte les performances de la pile à combustible. Il réagit avec le catalyseur au platine (Pt), formant une couche d’hydroxyde de platine (PtOH) sur l’électrode, ce qui obstrue la catalyse efficace de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR), entraînant des pertes d’énergie. Pour maintenir un fonctionnement efficace, les piles à combustible nécessitent une charge élevée en platine, ce qui augmente considérablement les coûts des piles à combustible.
Structure adsorbée de la caféine sur des électrodes monocristallines de platine bien définies et activité de l’électrode à air de la pile à combustible avant (barre bleue) et après (barre orange) modification de la caféine. Crédit : Professeur Nagahiro Hoshi de l’Université de Chiba
Percée dans l’efficacité des catalyseurs de piles à combustible
Maintenant, dans une étude récemment publiée dans la revue Chimie des communications, le professeur Nagahiro Hoshi, ainsi que Masashi Nakamura, Ryuta Kubo et Rui Suzuki, tous de la Graduate School of Engineering de l’Université de Chiba, au Japon, ont découvert que l’ajout de caféine à certaines électrodes de platine peut augmenter l’activité de l’ORR. Cette découverte pourrait potentiellement réduire les besoins en platine, rendant ainsi les piles à combustible plus abordables et plus efficaces.
« La caféine, l’un des produits chimiques contenus dans le café, multiplie par 11 l’activité d’une réaction de pile à combustible sur une électrode de platine bien définie dont l’arrangement atomique a une structure hexagonale », explique le professeur Hoshi.
L’impact de la caféine sur les électrodes de platine
Pour évaluer l’impact de la caféine sur l’ORR, les chercheurs ont mesuré le flux de courant à travers des électrodes de platine immergées dans un électrolyte contenant de la caféine. Ces électrodes de platine avaient des atomes de surface disposés dans des directions spécifiques, à savoir (111), (110) et (100). Il y a eu une amélioration notable de l’activité ORR de l’électrode avec une augmentation de la concentration de caféine dans l’électrolyte. La caféine, lorsqu’elle est présente, s’adsorbe à la surface de l’électrode, empêchant efficacement l’adsorption d’hydrogène et la formation d’oxyde de platine sur l’électrode. Cependant, l’effet de la caféine dépendait de l’orientation des atomes de platine à la surface de l’électrode.
À une concentration molaire de caféine de 1 × 10−6, l’activité ORR sur Pt(111) et Pt(110) a augmenté respectivement de 11 et 2,5 fois, sans effet notable sur Pt(100). Pour comprendre cette différence, les chercheurs ont étudié l’orientation moléculaire de la caféine sur la surface de l’électrode à l’aide de la spectroscopie d’absorption par réflexion infrarouge. Ils ont découvert que la caféine était absorbée par les surfaces Pt(111) et Pt(110), son plan moléculaire étant perpendiculaire à la surface. Cependant, sur le Pt(100), des obstacles stériques font qu’il est attaché avec son plan moléculaire incliné par rapport à la surface de l’électrode.
« L’activité ORR accrue du Pt(111) et du Pt(110) a été attribuée à la diminution de la couverture de PtOH et à l’encombrement stérique inférieur de la caféine adsorbée. À l’inverse, pour le Pt(100), l’effet de la diminution du PtOH a été contrecarré par l’encombrement stérique de la caféine adsorbée, et donc la caféine n’a pas affecté l’activité ORR », explique le professeur Hoshi.
Contrairement aux batteries dont la durée de vie est limitée, les piles à combustible peuvent produire de l’énergie tant que du carburant est fourni, ce qui les rend adaptées à diverses applications, notamment les véhicules, les bâtiments et les missions spatiales. La méthode proposée a le potentiel d’améliorer la conception des piles à combustible et de conduire à leur utilisation généralisée.
L’étude a été financée par l’Organisation de développement des nouvelles énergies et des technologies industrielles.
