Les véhicules à pile à combustible à hydrogène ont longtemps été salués comme l'avenir de la mobilité propre: des voitures qui n'émettent que de l'eau tout en offrant une efficacité élevée et une densité de puissance. Pourtant, un obstacle obstiné demeure. Le cœur de la pile à combustible, le catalyseur à base de platine, est à la fois coûteux et sujette à la dégradation. Au fil du temps, le catalyseur se détériore pendant le fonctionnement, forçant des remplacements fréquents et en gardant des véhicules hydrogène coûteux.
Comprendre pourquoi et comment ces catalyseurs se dégradent au niveau atomique est un défi de longue date dans la recherche sur la catalyse. Sans cette connaissance, la conception de piles à combustible vraiment durables et abordables pour l'adoption de masse reste hors de portée.
Aujourd'hui, une équipe dirigée par le professeur Yongsoo Yang du Département de physique de Kaist (Corée Advanced Institute of Science and Technology), en collaboration avec le professeur Eun-Ae Cho du département de science et d'ingénierie des matériaux de Kaist, les chercheurs de l'Université de Stanford et le Lawrence Berkeley National Laboratory, ont réussi à suivre le changement de la cycle de la pile à combustible individuelle. Les résultats fournissent un aperçu sans précédent des mécanismes de dégradation à l'échelle atomique des catalyseurs de platine-nickel (PTNI) et démontrent comment le dopage du gallium (GA) améliore considérablement leur performance et leur durabilité.
L'étude est publiée dans la revue Communications de la nature.
Un nouveau «scan tomnolet» pour les catalyseurs
Pour réaliser cette percée, l'équipe a utilisé une technique de tomodensitométrie atomique assistée par le réseau neuronal (AET). Tout comme une tomodensitométrie dans un hôpital reconstruit l'intérieur du corps humain à partir d'images aux rayons X, l'AET détermine les positions de milliers d'atomes à l'intérieur de nanomatériaux à partir d'images de microscopie électronique à haute résolution prises à de nombreux angles différents. En combinant ces reconstructions avec une correction avancée des données basée sur l'IA, les chercheurs ont pu cartographier les coordonnées 3D exactes et l'identité chimique de chaque atome dans les catalyseurs de nanoparticules.
Cela leur a permis d'observer directement – à une résolution à atomes uniques – comment les catalyseurs ont changé de structure, de composition chimique et de déformation interne car ils ont été cyclables des milliers de fois dans des conditions de fonctionnement des piles à combustible.
Pourquoi le gallium fait une différence
Les chercheurs ont comparé les catalyseurs PTNI conventionnels avec des catalyseurs PTNI dopés GA. Les résultats ont révélé:
- La stabilité de la forme: bien que les particules de PTNI non pas perdues ont progressivement perdu leur forme octaédrique avantageuse et sont devenues plus sphériques (c'est-à-dire, la fraction de facettes {111} très actives a été réduite), les particules dopées GA ont conservé leur forme d'octaédrique même après 12 000 cycles.
- Stabilité chimique: Dans les catalyseurs PTNI, les atomes de nickel ont lessivés à la fois des régions de surface et de sous-sol, entraînant une instabilité structurelle. Dans les catalyseurs dopés GA, le nickel de surface a été largement préservé, empêchant l'effondrement de la structure.
- Préservation de la souche: La contrainte de compression dans les particules de PTNI, cruciale pour optimiser l'activité de réduction de l'oxygène, s'est considérablement détendue au fil du temps. En revanche, les particules dopées par Ga ont maintenu une déformation presque optimale.
- Performance catalytique: En intégrant ces facteurs, les chercheurs ont montré que si les catalyseurs PTNI non pas perdus ~ 17% de leur activité de réduction de l'oxygène après 12 000 cycles, les catalyseurs PTNI dopés GA ont perdu seulement ~ 4% et maintenu une activité supérieure tout au long.
Le Dr Yang, qui a dirigé la recherche, a expliqué la signification des résultats: « Ces résultats représentent la première fois que la véritable dynamique de dégradation de l'échelle atomique 3D des catalyseurs de piles à combustible est directement visualisée. Nos résultats révèlent non seulement pourquoi les œuvres de dopage de gallium, mais également d'établir un cadre puissant pour concevoir rationnellement la conception de catalyseurs durables et à haut-efficacité. »
Implications pour un avenir alimenté par l'hydrogène
L'étude démontre que l'AET assisté par le réseau neuronal peut révéler comment les nanomatériaux évoluent pendant les conditions de fonctionnement réelles, surmontant les limites de l'imagerie 2D traditionnelle et des méthodes moyennes d'ensemble. Au-delà des catalyseurs PTNI, la technique peut être appliquée à un large éventail de nanomatériaux et de systèmes catalytiques, aidant à concevoir la prochaine génération de matériaux énergétiques avec précision atomique.
Pour l'économie d'hydrogène, cela signifie que des catalyseurs plus durables pourraient prolonger la durée de vie des piles à combustible, des coûts de remplacement inférieurs et accélérer l'adoption généralisée de véhicules à hydrogène et des technologies d'énergie propre.
