La production d'électricité à partir d'hydrogène ne prendra son essor que si le platine utilisé pour dissocier la molécule H2 à l'anode d'une pile à combustible peut être remplacé par un métal moins onéreux.
Des catalyseurs moléculaires bio-inspirés pourraient à terme fournir la solution. Leur conception s'inspire des sites actifs des hydrogénases contenant des atomes de nickel. Ils offrent en principe une efficacité par atome métallique supérieure à celle des métaux nobles, ainsi qu'un impact environnemental moindre.
Leur structure mobile et flexible est une caractéristique centrale pour leur fonction catalytique. La façon dont les molécules sont immobilisées sur leur support doit donc respecter cette structure mobile, tout en garantissant un bon contact électrique entre le catalyseur et son support. C'est cette organisation moléculaire qu'il est possible d'optimiser grâce à une observation détaillée. Or, une fois fixées, les molécules échappent aux méthodes classiques de détection ou d'imagerie.
En conséquence, les chercheurs de l'Irig ont adopté une approche pluridisciplinaire pour développer une anode à catalyseur bio-inspiré. Celui-ci est greffé de manière non-covalente à des nanotubes de carbone, eux-mêmes déposés sur un feutre de carbone. Le support du catalyseur doit en effet être à la fois conducteur pour transporter les électrons et poreux pour favoriser la circulation gazeuse (H2) et faciliter le contact avec l'électrolyte où se déplacent des ions (H+).
Différentes techniques ont été mises en œuvre :
- la diffusion de neutrons aux petits angles pour observer à l'échelle nanométrique l'auto-assemblage des molécules organiques bio-inspirées sur les nanotubes de carbone ;
- la microscopie électronique à transmission (sur la plateforme de nano-caractérisation) pour imager la couche catalytique sur des nanotubes individuels.
Les scientifiques ont observé que toute la surface disponible des nanotubes est couverte de manière homogène par le catalyseur, lui-même distribué en nanostructures régulières de petits agglomérats.
Ils ont ainsi pu accéder à un contrôle fin de la concentration de surface en catalyseur et optimiser l'hydratation de la couche active qui détermine l'efficacité du transport dans la phase poreuse. Ces améliorations leur ont fait gagner un facteur 20 en efficacité par rapport à leurs précédents résultats (publiés en 2017). Les densités de courant obtenues de 0,4 A/cm2 se rapprochent désormais de celles atteintes avec des électrodes classiques à base de platine (1 A/cm2).
L'intégration de cette nouvelle électrode dans des piles à hydrogène compactes sera leur prochain défi.
Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet européen Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking CRESCENDO « Critical raw material electrocatalysts replacement enabling designed post-2020 PEMFC » et d'un projet transversal du CEA.
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