Illustration: société LeanCat
Des piles à combustible à base d'hydrogène moins précieuses et plus efficaces.
Pour augmenter la rentabilité des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), des chercheurs financés par l'UE ont conçu une nouvelle famille de catalyseurs en couche mince, après avoir découvert les mécanismes sous-jacents à la catalyse à atome unique et identifié comment exploiter ses avantages.
Les PEMFC utilisent une membrane de polymère acide à base d'eau comme électrolyte et des électrodes en platine (Pt). L'hydrogène est traité à la surface d'un catalyseur en platine au niveau de l'anode où les électrons sont séparés des protons. Les protons traversent la membrane avant d'atteindre le côté cathode de la pile.
Du côté de la cathode, l'électrode en métal précieux combine les protons et les électrons à l'oxygène, et l'eau produite constituant le seul déchet est expulsée. L'oxygène peut ainsi être produit sous une forme purifiée ou extrait directement à partir de l'air au niveau de l'électrode.
Le projet CHIPCAT (Design of thin-film nanocatalysts for on-chip fuel cell technology), financé par l'UE, a été lancé pour rechercher une alternative viable à l'utilisation de nanoparticules de platine. En tant que métal précieux, le platine représente jusqu'à 50 % du coût de fabrication des piles à combustible à base d'hydrogène et augmente donc leur prix.
Au cours du projet de trois ans, les chercheurs ont exploré différents aspects de la technologie de dépôt physique. Les processus industriels classiques de fabrication d'électrode impliquent des étapes humides qui sont incompatibles avec la technologie des dispositifs électroniques à base de silicium.
«Des catalyseurs en film mince à base d'oxydes de cérium combinés à du platine (Pt-CeOx), qui ont fait l'objet de demandes de brevet avant CHIPCAT, ont été proposés pour optimiser l'efficacité du platine utilisé dans les piles à combustible», explique le Dr Daniel Mazur de l'Université Charles de Prague, en République tchèque, chercheur et secrétaire du projet.
Les nouveaux nanocatalyseurs en couche mince sont constitués d'atomes de platine, principalement à l'état ionique, dispersés dans une matrice d'oxyde de cérium réductible. Les cristallites d'oxyde ont des diamètres de quelques nanomètres afin que la majorité des atomes de platine puissent accéder aux surfaces des cristallites et aient un effet catalytique.
«Nous avons dû nous convaincre nous-mêmes, ainsi que d'autres personnes, du fait que ce composé fonctionnait comme prévu. Ensuite, nous avons dû découvrir les principaux mécanismes permettant à ces nanocatalyseurs de fonctionner, afin de pouvoir les perfectionner et d'y ajouter des additifs pour en tirer le meilleur parti», se rappelle le Dr Mazur.
Il souligne que «toute une série d'expériences sur des matériaux simplifiés et de calculs de modèles sophistiqués ont été nécessaires pour atteindre les objectifs du projet.»
Le Dr Mazur a aussi fait remarquer que «au final, les résultats publiés indiquent que les nouveaux catalyseurs peuvent durer plus longtemps que les catalyseurs classiques, du fait que les atomes de platine dispersés s'agglomèrent à peine et conservent donc leurs performances initiales tant que l'échafaudage (matériau carboné) résiste.»
Il a également ajouté: «Grâce à l'utilisation de la microscopie électronique haute résolution à transmission, nous avons finalement réussi à visualiser les atomes de platine individuels incorporés aux cristallites de cérium. Cette preuve a longtemps été réclamée par nos pairs scientifiques, qui n'étaient pas convaincus de notre déclaration concernant la nature 'atomiquement dispersée' du catalyseur.»
Des efforts importants ont été consacrés à la construction d'une pile à combustible miniature pouvant être incorporée à un dispositif à circuits intégrés. Les chercheurs ont conçu un système sur puce dans lequel l'hydrogène emprunte des canaux microfluidiques gravés sur une galette en silicium.
Toutefois, «en raison d'une différence de géométrie par rapport à la structure en sandwich des PEMFC classiques, seuls les processus situés en périphérie des canaux contribuent aux performances de la micro-pile à combustible. Ce phénomène limite ses performances et la quantité d'énergie pouvant être récoltée», a déclaré le Dr Mazur.
Plusieurs stratégies sont envisagées pour surmonter cet obstacle majeur, dont l'une consiste à déposer le catalyseur sur la membrane plutôt que sur les parois du sillon.
Les conclusions du projet CHIPCAT ont été décrites dans plus de 60 articles scientifiques publiés dans des revues à comité de lecture de grande renommée, y compris Nature Communications et Nature Materials. Ces publications documentent l'excellente compréhension des processus qui ont lieu dans les matériaux étudiés et ont joué un rôle clé dans les résultats finaux obtenus.
L'équipe a également entamé les premières phases menant à la commercialisation de la nouvelle technologie de catalyseur en film mince. «L'Université Charles de Prague, en charge de la coordination du projet en partenariat avec Jablotron Group, a créé une entreprise dérivée dirigée par le professeur Vladimír Matolín (détenteur des brevets sus-mentionnés)», a déclaré le Dr Mazur.
La société LEANCAT s.r.o. propose déjà les nanocatalyseurs atomiques en tant que produit. Parallèlement, elle fabrique et vend des stations de test de piles à combustible développées à l'Université Charles dans le cadre du projet CHIPCAT.
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