Piles à combustible: l'instabilité des catalyseurs sans platine
Publié par Adrien le 26/10/2019 à 08:00
Source: CNRS INC
Les piles à combustible Dihydrogène/Air à membrane polymérique, alternative propre et efficace au moteur à combustion interne, pourraient limiter la pollution atmosphérique due aux véhicules motorisés. Pour limiter leur coût, des scientifiques de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) de Clermont-Ferrand (CNRS/Université Clermont Auvergne/SIGMA Clermont) et leurs collègues canadiens de l'Institut Nationale de la Recherche Scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) (INRS) cherchent à comprendre ce qui rend les catalyseurs plus abordables si instables donc difficilement utilisables. Une avancée à retrouver dans la revue Energy & Environment Science.


© Gaixia Zhang et al. 2019

Dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le...) des changements climatiques mondiaux, limiter la pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le contexte, selon le milieu considéré et selon ce que l'on peut entendre par malsain [1].) atmosphérique urbaine est un enjeu important. Les piles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction...) Dihydrogène/Air à membrane polymérique (PEMFC), considérées comme une solution alternative propre et efficace au moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie...) à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une...) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou...) plus polluant (Le polluant a pour définition la plus souvent retenue : un altéragène biologique, physique ou chimique, qui audelà d'un certain seuil, et parfois dans certaines conditions (potentialisation), développe...), se placent ainsi au coeur des recherches d'une équipe de l'Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (CNRS/Université Clermont Auvergne/SIGMA Clermont) et de leurs collègues canadiens de l'Institut nationale de la Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) Scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) (INRS). En effet, l'utilisation de métaux du groupe du platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) (MGP) comme catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas...) dans ces piles demeure un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) à leur large déploiement, de par leur coût élevé. Les scientifiques proposent donc de remplacer ce catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des...), surtout à la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui débite et à la...) de la pile où la réaction de réduction de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) est connue comme électrochimiquement lente (La Lente est une rivière de la Toscane.).

Jusqu'à présent, un tel remplacement a été principalement entravé par la mauvaise stabilité à long terme des catalyseurs sans MGP les plus actifs et les plus performants pour l'électroréduction de l'oxygène dans les piles à combustible PEMFC. Ces catalyseurs sans MGP cessent leur activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) au bout d'un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) trop court pour être rentables. Déterminer l'origine de cette instabilité est donc primordial.

Or des études précédentes ont montré qu'ajouter du fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des halogènes, de masse atomique 19.) à un catalyseur peut aider à maintenir sa stabilité, en stabilisant le support sur lequel le catalyseur est déposé. L'équipe a alors exploré le comportement d'un de ces catalyseurs sans MGP, un catalyseur cathodique (noté NC) à base de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique...), argon et de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins....) fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau...), avant et après fluoration par du fluor moléculaire à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) ambiante, afin de mieux comprendre son activité et sa stabilité. Elle a démontré que la fluoration stabilise bien le support du catalyseur mais empoisonne tous les sites catalytiques à base de métaux, les rendant inactifs. Les sites à base de carbone et d'azote, actifs en électroréduction de l'oxygène et situés en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) du catalyseur, ne sont pas empoisonnés. L'effet stabilisateur attendu du fluor sur ces derniers est donc minimisé par l'inactivation des sites métalliques.

Même si les catalyseurs NC empoisonnés au fluor peuvent être partiellement (70 %) réactivés par un traitement thermique (Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de...) à 900 °C sous argon, le traitement au fluor n'est donc pas, à ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) de l'étude qui se poursuit, suffisamment efficace en termes de stabilisation. La comparaison du comportement électrochimique des électrodes empoisonnées et réactivées révèle la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en...) du problème d'instabilité qui affecte ces catalyseurs très actifs et démontre que les instabilités de leurs sites catalytiques à base de métaux ou à base de carbone et azote n'ont pas la même origine.

Références:
Gaixia Zhang, Xiaohua Yang, Marc Dubois, Michael Herraiz, Régis Chenitz, Michel Lefèvre, Mohamed Cherif, François Vidal, Vassili P. Glibin, Shuhui Sun (Sun Microsystems (NASDAQ : SUNW) est un constructeur d'ordinateurs et un éditeur de logiciels américain.) and Jean-Pol Dodelet.
Non-PGM electrocatalysts for PEM fuel cells: Effect of fluorination on the activity and the stability of a highly active NC_Ar+NH3 catalyst
Energy & Environmental Science, Energy Environ. Sci. - Juillet 2019
DOI: 10.1039/C9EE00867E
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