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Un nanomatériau hybride, catalyseur puissant pour piles à hydrogène
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Des chimistes du Centre interuniversitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux (CIRIMAT/CNRS), et des universités d’Aalto (Finlande) et de Vienne (Autriche), ont mis au point un nouveau catalyseur, moins coûteux et plus performant, pour les réactions électrochimiques impliquant l’oxygène.
Mettant en œuvre une association de nanotubes de carbone, de graphène et de métaux catalytiques, ce catalyseur est moins coûteux à produire et fonctionne aussi bien pour les étapes de consommation que de production d’oxygène, deux réactions essentielles à l’électrolyse de l’eau et au fonctionnement des piles à combustible.
L'utilisation de l'oxygène dans les piles à combustible s'appuie sur la réduction de ce dernier (réaction de réduction de l'oxygène, ORR) et représente une alternative prometteuse aux énergies fossiles pour la production d'énergie électrique. La production d'oxygène (réaction d’évolution de l’oxygène, OER) est aussi concomitante de la production de l’hydrogène dans les électrolyseurs.
Ces deux réactions de production et de consommation de l'oxygène sont toutefois très énergivores et nécessitent des catalyseurs performants pour que la technologie demeure rentable. « Les catalyseurs facilitent la mise en contact entre les réactifs et diminuent l'énergie et le temps nécessaires pour réaliser une réaction chimique. Ils permettent donc à la fois d'économiser de l'énergie et d'accélérer les réactions », explique Emmanuel Flahaut, directeur de recherche au CIRIMAT et co-signataire de la publication. Les catalyseurs actuellement utilisés sont composés essentiellement de métaux nobles comme l’iridium et le platine, très coûteux et ne fonctionnant que pour un seul type de réaction.
Les chercheurs ont mis au point un nouveau catalyseur constitué d’atomes métalliques individuels dispersés sur des nanotubes de carbone et du graphène dopé à l’azote. Il est produit par synthèse en phase gazeuse. « Le cobalt et le molybdène sont tous deux utilisés pour la synthèse des nanotubes de carbone biparois. Ces deux métaux, qui ont une activité pour l’électrocatalyse, se retrouvent ainsi directement dispersés dans le produit final », précise Emmanuel Flahaut.
Le carbone des nanotubes et du graphène provient de la décomposition de méthane et l’azote est incorporé par ajout d’une molécule organique, l’acétonitrile, qui est aussi un solvant très courant et peu onéreux. Ce matériau nanocomposite complexe, non seulement possède de meilleures performances par rapport aux catalyseurs classiques, mais peut également être utilisé à la fois dans les réactions OER et ORR.
« Les performances accrues de ce nanomatériau sont sûrement liées à la répartition individuelle des atomes de métaux catalytiques. Ils peuvent être plus actifs qu’un ensemble d’atomes rassemblés en un agrégat sur lequel seuls les atomes à la surface jouent le rôle de catalyseur. Donc pour une même quantité d’atomes catalytiques, le matériau que nous avons mis au point est bien plus efficace », souligne Emmanuel Flahaut. Ce catalyseur associe nanotubes de carbone, graphène dopé à l’azote (en rouge) et atomes métalliques individuels (cobalt en vert, molybdène en bleu).
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
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