Une nouvelle étude menée par l’Université de Buffalo introduit l’hydrogène dans la fabrication de catalyseurs fer-azote-carbone, ce qui entraîne une amélioration significative de la durabilité et de l’efficacité, proche des performances du platine dans les piles à combustible.
Les chercheurs ont découvert que l’ajout d’hydrogène aux catalyseurs fer-azote-carbone pourrait réduire considérablement les coûts des piles à combustible respectueuses du climat.
Les chercheurs travaillent sans relâche depuis de nombreuses années pour trouver des alternatives rentables au platine et à d’autres métaux coûteux destinés à être utilisés dans les piles à combustible. Leurs efforts se sont concentrés sur l’exploration de diverses combinaisons de trois matériaux facilement disponibles et moins coûteux : le fer, l’azote et le carbone.
Cependant, le parcours a été difficile, car il s’est avéré difficile d’atteindre un équilibre entre durabilité et efficacité de ces catalyseurs fer-azote-carbone. Bien qu’ils aient réussi à rendre le catalyseur durable ou performant, la réalisation simultanée de ces deux attributs reste un obstacle important.
Une nouvelle étude dirigée par l’Université de Buffalo pourrait offrir une solution. Dans la revue Catalyse naturelleles chercheurs rapportent comment l’ajout d’hydrogène au processus de fabrication crée un catalyseur puissant et efficace qui se rapproche des performances du platine.
Gang Wu, au premier plan, s’efforce de réduire les coûts associés à la production de piles à combustible respectueuses du climat. Crédit : Douglas Levere, Université de Buffalo.
Cette avancée suggère une étape importante pour aider la technologie des piles à combustible à atteindre son potentiel en tant que fournisseur d’électricité sans pollution pour les voitures, les camions, les trains, les avions et autres véhicules lourds.
Équilibrer la durabilité et l’efficacité du catalyseur
« Pendant des années, la communauté scientifique a eu du mal à équilibrer ce compromis. On peut faire des produits low-cost efficaces mais qui se dégradent trop facilement. Ou bien nous les avons rendus très stables, mais leurs performances ne peuvent égaler le platine. Avec ce travail, nous avons fait un pas en avant vers la résolution de ce problème », déclare l’auteur correspondant de l’étude, Gang Wu, PhD, professeur au Département de génie chimique et biologique de la Faculté d’ingénierie et des sciences appliquées.
Ces travaux s’appuient sur des recherches antérieures menées par Wu qui décrivaient des catalyseurs fer-azote-carbone qui, bien que durables, avaient du mal à accélérer d’importantes réactions chimiques dans les piles à combustible.
Approche innovante dans la fabrication de catalyseurs
La nouvelle étude a abordé cette limitation lors d’un processus de fabrication appelé pyrolyse, qui implique l’utilisation de températures extrêmement élevées pour combiner les matériaux.
Au cours de la pyrolyse, les chercheurs ont lié quatre atomes d’azote au fer dans une chambre à haute température. Ils ont ensuite incorporé ce matériau dans quelques couches de graphènequi est une forme de carbone résistante, légère et flexible.
Habituellement, ce processus se produit dans une chambre contenant un gaz inerte, tel que l’argon. Cependant, cette fois, les chercheurs ont introduit de l’hydrogène dans la chambre pour créer un mélange de 90 % d’argon et 10 % d’hydrogène.
En conséquence, les chercheurs ont pu contrôler plus précisément la composition du catalyseur. Plus précisément, ils ont pu placer deux composés fer-azote-carbone différents (l’un contenait 10 atomes de carbone, l’autre 12 atomes de carbone) dans des positions qui favorisent la durabilité et l’efficacité.
Le catalyseur résultant a atteint les performances initiales des piles à combustible bien au-delà de l’objectif du ministère de l’Énergie pour 2025. Il s’est également révélé plus durable que la plupart des catalyseurs fer-azote-carbone, se rapprochant d’une cathode à faible teneur en platine typique utilisée pour les piles à combustible.
En plus de l’UB, l’équipe de recherche collaborative comprenait des membres des organisations suivantes : Argonne National Laboratory ; Université d’Indiana – Université Purdue d’Indianapolis ; l’Institut national de la recherche scientifique de Vareness, Québec; Laboratoire national d’Oak Ridge ; Université d’État de l’Oregon ; l’Université de Pittsburgh ; et l’Université de Caroline du Sud.
L’étude a été soutenue par le ministère américain de l’Énergie.
