Un catalyseur alliant le platine à une terre rare

Presse universitaire Tsinghua

image : Nanoparticules de platine et de lanthane agissant comme électrocatalyseurs pour accélérer la réaction chimique dans une pile à combustible à hydrogène afin de produire de l'électricité et de l'eau.Voir plus

Crédit : Nano Research, Tsinghua University Press

Les chercheurs ont mis au point une méthode permettant de combiner le platine coûteux et un élément de terre rare peu coûteux, le lanthane, en tant qu'alliage pour servir de catalyseur dans la prochaine génération de piles à combustible, ce qui améliorera leurs performances et réduira leur coût. Ce développement devrait faciliter la décarbonisation des véhicules de transport lourds qui se prêtent moins à l’utilisation de batteries pour les alimenter.

La méthode est décrite dans un article paru dans la revue Nano Research le 22 septembre 2022.

Les batteries ont peut-être gagné la bataille contre les piles à combustible à hydrogène pour alimenter proprement les voitures, mais un certain nombre d'autres moyens de transport ont du mal à remplacer les moteurs à combustion interne par des batteries en raison d'une série d'obstacles tels que le poids et le volume des batteries qui être requis pour le type de services qu’ils fournissent. Cela est particulièrement vrai pour les transports lourds tels que le transport maritime, l’aviation et le camionnage longue distance. Dans ces cas-là, la plupart des analystes des transports suggèrent qu’ils dépendront probablement d’une sorte de carburant propre.

Une pile à combustible est capable d’alimenter des véhicules et d’autres machines en transformant l’énergie chimique de l’hydrogène en électricité, les seuls autres produits étant l’eau et la chaleur. Jusqu'à présent, le type de pile à combustible le plus couramment utilisé dans de nombreux appareils, des satellites à la navette spatiale, était la pile à combustible alcaline, dont l'invention remonte à près d'un siècle. La prochaine génération ressemblera probablement à une pile à combustible à membrane électrolytique polymère, qui utilise également de l'hydrogène pour produire de l'électricité, mais elle est beaucoup plus compacte, ce qui la rend particulièrement attrayante pour les véhicules de transport lourds.

La clé pour rendre ces réactions électrochimiques plus efficaces – et ainsi réduire le coût des piles à combustible pour les rendre plus compétitives par rapport à l’utilisation de combustibles fossiles – est de trouver de meilleurs catalyseurs, des matériaux qui accélèrent ces réactions.

Malheureusement, de tous ces « électrocatalyseurs » qui rendent possible la réaction chimique clé impliquée (la réaction de réduction de l’oxygène, ou ORR), le platine est de loin le meilleur. Et le platine, un métal rare, n’est pas bon marché. Pour les PEMFC en particulier, le coût incroyablement élevé du platine a constitué un obstacle majeur à leur adoption. La dégradation rapide après un nombre relativement faible de cycles d'utilisation de cet électrocatalyseur déjà coûteux dans l'environnement hautement corrosif des PEMFC n'a fait qu'aggraver la situation.

"La recherche est donc ouverte d'un électrocatalyseur peu coûteux, plus résistant à la dégradation et donc stable sur de longues périodes, tout en délivrant une densité de courant impressionnante, c'est-à-dire la quantité de courant électrique par unité de volume", a déclaré Siyuan Zhu, l'un des auteurs de l'article et électrochimiste à l'Institut de chimie appliquée de Changchun à l'Académie chinoise des sciences, "et nous permet ainsi de tenir la promesse de compacité des PEMFC".

La principale option envisagée pour réduire les coûts consiste à « diluer » la quantité de platine nécessaire comme électrocatalyseur en l'alliant à d'autres métaux moins chers qui peuvent aider ou même améliorer les propriétés catalytiques du platine.

Et jusqu’à présent, les principaux candidats à l’alliage avec le platine étaient les métaux dits de transition tardive. Les métaux de transition sont les éléments que vous trouvez au milieu, ou bloc D, du tableau périodique. Le fer, le manganèse et le chrome sont des métaux de transition au milieu de ce bloc central, et les métaux de transition « tardifs », tels que le cadmium et le zinc, se trouvent sur le côté droit de celui-ci.

Les métaux de transition tardifs se sont toutefois révélés ne pas être à l’abri de la dissolution dans l’environnement rigoureux et corrosif des PEMFC. Cela entraîne non seulement une baisse constante des performances, mais le métal dissous réagit également avec les sous-produits de la réaction de réduction de l'oxygène, provoquant des dommages incontrôlables à l'ensemble du système.