Un matériau nanocomposite bio-inspiré pour les piles à combustible à hydrogène

Des chercheurs de l'Irig décrivent le développement d'une anode à base moléculaire pour la réaction d'oxydation de l'hydrogène par l'intégration non covalente d'un catalyseur moléculaire Ni bioinspiré à la surface d'une couche de diffusion gazeuse modifiée par des nanotubes de carbone. Cette stratégie d'immobilisation leur permet d'obtenir des densités de courant de 0,4 A/cm2 s'approchant des 1 A/cm2 atteints par les électrodes classiques.

Le développement de nouvelles technologies de l'énergie repose entre autres sur des dispositifs tels que les piles à combustible faisant appel à des catalyseurs permettant de convertir l'hydrogène en électricité. Pour ce faire, une famille de catalyseurs moléculaires à base de nickel offre une alternative crédible aux métaux nobles utilisés dans les piles à hydrogène classiques. Ces catalyseurs moléculaires inspirés de la structure des sites actifs des hydrogénases surpassent les catalyseurs traditionnels à la fois en termes d'efficacité par atome métallique et d'impact environnemental. Afin de collecter efficacement le courant produit lors de l'oxydation de l'hydrogène, le catalyseur doit être greffé sur un support conducteur. Or, la façon dont les catalyseurs interagissent avec leur support est mal comprise.

Plusieurs équipes de recherche de l'Irig développent différentes stratégies de greffage afin de maximiser les performances du dispositif final. Le support conducteur devra notamment offrir une grande porosité afin de permettre l'accès au gaz hydrogène, ainsi qu'un réseau de conduction pour transporter les ions. Du fait de ce cahier des charges, les nanotubes de carbone comptent parmi les supports les plus appropriés pour immobiliser les nouveaux catalyseurs ^[1]. Or ces catalyseurs, de composition essentiellement organique et de structure à la fois mobile et flexible, ne peuvent pas être modifiés sans que leur capacité catalytique soit impactée. Par ailleurs, une fois intégrés dans la couche catalytique composite, ils échappent aux méthodes classiques de détection ou d'imagerie.

Un [i]consortium de 3 laboratoires de l'Irig et un laboratoire du CEA-Liten s'est penché sur cette structure élusive en croisant des techniques de caractérisation avancées fortement complémentaires. L'ensemble des résultats obtenus converge vers une image inédite de l'association du catalyseur moléculaire avec son support: une couverture homogène de toute la surface disponible du nanotube à laquelle se rajoute une distribution régulière et nanostructurée de petits agglomérats de catalyseurs.


Sur la base de ces observations, des chercheurs de l'Irig, en collaboration avec l'institut Joliot, ont mis en place un contrôle fin de la concentration de surface en catalyseur. Ils ont également pu optimiser le niveau d'hydratation de la couche active, une caractéristique critique qui assure à la fois la diffusion des substrats gazeux et des produits ioniques. Grâce à ces améliorations, ils viennent d'obtenir des densités de courant de 0,4 A/cm² s'approchant des standards industriels ^[2] de 1 A/cm² atteints par les électrodes classiques à base de platine.

L'intégration de cette nouvelle électrode dans des piles à hydrogène compactes sera le prochain défi.

Les laboratoires impliqués sont:
- le laboratoire CBM de l'Irig (Vincent Artero, Bertrand Reuillard) avec une équipe du CEA-Joliot pour la préparation des échantillons et les études électrochimiques,
- le laboratoire Symmes de l'Irig (Pascale Chenevier, Sandrine Lyonnard) pour son expertise en caractérisation de surface et la diffusion des neutrons aux petits angles qui a permis d'observer à l'échelle nanométrique l'auto-assemblage catalyseur/nanotubes en présence de solvant,
- la plate-forme de nanocaractérisation, le laboratoire MEM de l'Irig (Hanako Okuno) avec le LCEA du Liten-DTNM (Laure Guetaz) pour l'utilisation de la microscopie électronique à transmission pour imager la couche catalytique sur des nanotubes de carbone individuels.

Ces travaux s'inscrivent dans le projet PTC Matériaux et Procédés BioPAC intitulé "Caractérisation physique multi-échelle pour l'optimisation de matériaux bio-inspirés d'anode de PEMFC", et dans le projet FCH-JU CRESCENDO (GN 779366) "Critical Raw material ElectrocatalystS replaCement ENabling Designed pOst-2020 PEMFC".

Références:

^[1] Ghedjatti A, Coutard N, Calvillo L, Granozzi G, Reuillard B, Artero V, Guetaz L, Lyonnard S, Okuno H and Chenevier P.
How do H₂ oxidation molecular catalysts assemble onto carbon nanotube electrodes ? A crosstalk between electrochemical and multi-physical characterization techniques. Chemical Science, 2021.

^[2] Schild J, Reuillard B, Morozan A, Chenevier P, Gravel E, Doris E and Artero V.
Approaching industrially relevant current densities for hydrogen oxidation with a bioinspired molecular catalytic material. Journal of the American Chemical Society, 2021.