Modification de l'interface utilisant des cations hydrophiles/hydrophobes pour contrôler à la fois l'activité électrochimique et la stabilité de l'électrode de platine. Crédit : Masashi Nakamura de l'Université de Chiba, édité
Les chercheurs élucident les mécanismes de contrôle des processus d'oxydation de surface qui affectent les performances des catalyseurs au platine dans les milieux alcalins.
Les électrodes de platine (Pt) sont essentielles aux technologies d’énergie propre telles que les piles à combustible à hydrogène et l’électrolyse. Cependant, l’oxydation de surface qui se produit au cours de tels processus dégrade les performances et la stabilité du catalyseur. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont étudié les mécanismes d’oxydation superficielle de la surface du platine dans des milieux alcalins, une voie de recherche jusqu’alors inexplorée. Leurs expériences ont révélé des informations cruciales qui peuvent contribuer au développement de catalyseurs de nouvelle génération, ouvrant ainsi la voie à une société neutre en carbone.
Piles à combustible à hydrogène et électrolyse
La poursuite de la neutralité carbone stimule l’exploration de sources d’énergie propres, les piles à combustible à hydrogène apparaissant comme une voie prometteuse. Dans ces cellules, l’hydrogène subit une réaction électrochimique avec l’oxygène pour produire de l’électricité et de l’eau. En outre, l’inverse de ce processus, appelé électrolyse, peut être utilisé pour diviser l’eau abondamment disponible afin de produire de l’hydrogène et de l’oxygène. Ces deux technologies peuvent fonctionner en tandem pour fournir une source d’énergie propre et renouvelable. L’élément central de ces deux technologies est l’électrode de platine (Pt).
Les défis de la technologie des piles à combustible
Les piles à combustible à hydrogène sont constituées de deux électrodes : une anode et une cathode, avec un électrolyte entre elles. Le platine sert de catalyseur fondamental dans les piles à combustible à basse température, telles que les piles à combustible alcalines et les piles à combustible à électrolyte polymère (PEFC). Le platine présente une activité élevée pour la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), cruciale pour les piles à combustible, dans des conditions alcalines et acides, à la tension de fonctionnement des cathodes PEFC. Cependant, cela conduit également à la formation d'oxyde sur la surface, qui rend rugueuse et dissout la couche de platine, dégradant finalement les cathodes et affectant les performances et la stabilité.
Comprendre les mécanismes de formation d’oxydes en surface est donc crucial pour développer des catalyseurs cathodiques au platine qui fonctionnent bien dans des conditions alcalines. Des études ont montré que la formation d'oxyde à la surface du platine dépend du potentiel de l'électrode, de l'électrolyte et de la double couche électrique (EDL). Alors que des études ont étudié la formation et la réduction d'oxydes à la surface du Pt dans des milieux acides, peu d'entre elles ont abordé la même chose dans les milieux alcalins, présents dans les piles à combustible et les électrolyseurs dotés de membranes échangeuses d'anions.
Avancées dans la recherche sur les médias alcalins
Pour combler cette lacune, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Masashi Nakamura de la Graduate School of Engineering de l'Université de Chiba, au Japon, a étudié en profondeur les mécanismes de formation d'oxydes sur les surfaces de platine dans des milieux alcalins.
« Dans une étude précédente, nous avons signalé que les ions hydrophobes interfaciaux avec de longues chaînes alkyle peuvent améliorer l'ORR. Cela suggère qu'il est possible de construire un champ de réaction interfacial qui non seulement active l'ORR mais améliore également la durabilité des électrodes de platine en utilisant des ions interfaciaux optimaux », explique le professeur Nakamura.
L'étude comprenait également les contributions du Dr Tomoaki Kumeda et du professeur Nagahiro Hoshi, tous deux de la Graduate School of Engineering de l'Université de Chiba, ainsi que du Dr Osami Sakata du Centre de recherche sur les rayonnements synchrotrons de l'Institut japonais de recherche sur les rayonnements synchrotrons. Leurs conclusions ont été publiées dans le Journal de l'American Chemical Society.
Techniques et résultats innovants
L'équipe a étudié la formation d'oxyde à la surface du Pt (111) dans des solutions aqueuses alcalines contenant différents cations, à savoir le cation Lithium (Li+), Potassium (K+) cation et cation tétraméthylammonium (TMA+), utilisant des méthodes avancées telles que la diffusion par tige de troncature de cristal de rayons X (CTR), la spectroscopie Raman améliorée en surface à base de nanoparticules d'or (GNP-SERS) et la spectroscopie d'absorption par réflexion infrarouge (IRAS).
« Des études ont montré qu'une combinaison de spectroscopie vibrationnelle et de diffraction des rayons X est efficace pour élucider les processus d'oxydation de surface », ajoute le professeur Nakamura.
Le CTR aux rayons X a révélé que la formation d'oxyde entraîne un flambage de surface et une extraction de Pt. Les mesures SERS et IRAS ont révélé la formation potentielle et dépendante des cations de trois oxydes espècesà savoir l'hydroxyde adsorbé actif dans l'infrarouge (IR) OH (OHannonce), eau adsorbée active Raman (H2O)annonceet de l'oxygène actif Raman (Oannonce). L’équipe a découvert que les cations hydrophiles comme Li+ stabilisent l’OH actif IRannonceempêchant ainsi la formation d'oxydes nocifs, tandis que l'hydrophilie modérée du K+ n'a aucun effet protecteur.
Il est intéressant de noter que les cations hydrophobes volumineux tels que le TMA+ Réduisez également l'oxydation irréversible, similaire au Li+. Notamment, l'équipe a également découvert que la répulsion électrostatique entre Raman-actif (H2O)annonce et voisin Raman-actif Oannonce facilite l’extraction du Pt.
Conclusion et implications pour l'énergie propre
Ces résultats suggèrent que les cations d'interface jouent un rôle essentiel dans la formation d'oxydes sur les surfaces de platine, qui peut être contrôlé en sélectionnant les cations appropriés.
En développant ces résultats, le professeur Nakamura remarque : « Ces informations sont cruciales pour comprendre les mécanismes d’oxydation de surface et la structure de l’EDL, ce qui peut être bénéfique pour obtenir des électrocatalyseurs au platine hautes performances et stables destinés à être utilisés dans les dispositifs électrochimiques de nouvelle génération. »
Dans l’ensemble, cette étude nous fait franchir une étape supplémentaire dans la réalisation d’un avenir sans carbone, alimenté par un hydrogène propre et abondant.
