Nano-catalyste PT avec des poches de graphène améliore la durabilité et l’efficacité des piles à combustible

La fabrication et le déploiement de véhicules hybrides et électriques sont en augmentation, contribuant aux efforts continus pour décarboniser l’industrie des transports. Alors que les voitures et les petits véhicules peuvent être alimentés à l’aide de batteries au lithium, les véhicules électrisants lourds, tels que les camions et les grands bus, se sont jusqu’à présent révélés beaucoup plus difficiles.

Les piles à combustible, les appareils qui produisent de l’électricité via des réactions chimiques, sont des solutions prometteuses pour alimenter les véhicules lourds. La plupart des piles à combustible utilisées jusqu’à présent sont des piles à combustible à membrane d’échange de protons (PEMFC), des cellules qui produisent de l’électricité via la réaction de l’hydrogène et de l’oxygène, conduisant des protons de leur anode à leur cathode en utilisant une membrane polymère solide.

Malgré leur potentiel, de nombreuses piles à combustible existantes ont des durées de vie et des efficacités limitées. Ces limitations ont jusqu’à présent entravé leur adoption généralisée dans la fabrication de camions électriques ou hybrides, d’autobus et d’autres véhicules à camion lourd.

Un groupe de recherche à l’Université de Californie à Los Angeles (UCLA), dirigé par le professeur Yu Huang, a récemment conçu un nouveau nano-catalyste basé sur le platine (PT), un matériau qui accélère les réactions chimiques et pourrait aider à améliorer l’efficacité et la durabilité des piles à combustible. Ce catalyseur, présenté dans un article publié dans Nanotechnologie de la naturese compose de nanoparticules de PT, protégés par des nanopockés de graphène et soutenus sur une forme de carbone connu sous le nom de Ketjenblack.

“Nos recherches ont émergé d’un besoin urgent de décarboniser les véhicules lourds (HDV), tels que les camions long-courriers, qui nécessitent une gamme opérationnelle et une durabilité prolongées”, a déclaré Huang, auteur principal du journal, à Phys.org. “Les piles à combustible représentent une solution prometteuse pour les HDV électrisantes en raison de leur densité d’énergie spécifique au niveau de la masse supérieur au niveau par rapport aux batteries. Cependant, un obstacle majeur est la stabilité du catalyseur.”

Le platine et d’autres métaux en alliage généralement utilisés pour fabriquer des catalyseurs pour les PEMFC ont tendance à se dissoudre progressivement et certains de leurs atomes sont redéposés sur d’autres particules, ce qui les a fait devenir plus grands. Ce processus réduit la zone du catalyseur qui peut accélérer les réactions dans les piles à combustible, ce qui a finalement diminué leurs performances au fil du temps.

“Motivé par ce défi, notre équipe de l’UCLA a développé un catalyseur basé sur PT avec une structure protectrice mais perméable innovante”, a déclaré Huang. “Notre objectif principal était de concevoir une architecture de catalyseur qui empêche efficacement la dissolution des métaux et maintient une activité catalytique élevée sur une utilisation prolongée.”

Le nano-catalyste basé à PT développé par Huang et ses collègues a un design unique qui ralentit sa dégradation au fil du temps. Le catalyseur se compose de nanoparticules de PT ultrafines enfermées dans des couches minces et protectrices de graphène, appelées nanopockés de graphène.

“Ces nanopockets de graphène protègent les nanoparticules de platine de la dissolution et de la fusion (agglomérisent ensemble)”, a expliqué Zeyan Liu, co-premier auteur de l’article. “De plus, ces nanoparticules protégées sont confinées dans les pores d’un soutien au carbone, améliorant considérablement la stabilité et la durabilité dans des conditions opérationnelles difficiles.”

Cette étude récente a introduit un catalyseur alternatif qui pourrait augmenter les performances et la durabilité des piles à combustible, car elle ne se détériore pas rapidement comme de nombreux catalyseurs introduits dans le passé. Dans les tests initiaux, le nouveau nano-catalyseur à base de PT a donné des résultats très prometteurs, car les piles à combustible l’incorporant ont présenté des stabilités sans précédent, tout en maintenant une activité et une efficacité catalytiques élevées.

“Le catalyseur a démontré des performances exceptionnelles, y compris une activité de masse initiale de 0,74 A MG⁻¹ et une densité de puissance nominale de 1,08 W CM⁻²”, a déclaré Bosi Peng, co-primitif de The Paper. “Remarquablement, le catalyseur a subi une perte de puissance inférieure à 1,1% après avoir subi un test de contrainte accéléré rigoureux de 90 000 cycles de tension.

À l’avenir, le nouveau catalyseur conçu par Huang et ses collègues pourraient être utilisés pour développer de nouvelles piles à combustible à base d’hydrogène hautement performantes et durables. Ces piles à combustible pourraient à leur tour être utilisées pour alimenter divers véhicules à camion lourd, contribuant ainsi aux efforts continus visant à réduire les émissions de carbone.

“Notre étude représente une étape importante dans la réduction des émissions et l’amélioration de l’économie de carburant dans les secteurs des transports qui contribuent fortement à la consommation d’énergie et à l’impact environnemental”, a ajouté Huang. “Au-delà de l’amélioration de l’activité et de la durabilité du catalyseur en platine, nous visons à concentrer les recherches futures sur l’optimisation de l’ensemble de la structure des électrodes du catalyseur pour améliorer encore les performances de la pile à combustible.

“Le développement de matériaux de support de carbone avancés, de l’architecture d’électrodes innovants et des composants ionomères améliorés sera tout aussi critique, car ils influencent considérablement les performances à haute densité et la stabilité globale des piles à combustible.”

Le groupe de recherche de Huang à l’UCLA mène désormais des recherches supplémentaires visant à améliorer et à faire progresser les piles à combustible. Leurs efforts sont actuellement axés sur l’amélioration des assemblages d’électrodes membranaires, la composante centrale des PEMFC.

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