Des chercheurs développent un catalyseur sélectif qui freine la corrosion dans les piles à combustible automobiles

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Yong-Tae Kim et le candidat au doctorat Sang-Hoon You de l'Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) a mis au point un catalyseur sélectif qui freine la corrosion dans les piles à combustible utilisées pour les automobiles à hydrogène.

En adaptant la réaction d'oxydation de l'hydrogène pour qu'elle corresponde à la concentration d'hydrogène dans la pile à combustible, l'équipe a pu empêcher la corrosion des piles à combustible. La recherche a été publiée dans ACS Energy Letters.

Les piles à combustible sont sensibles à de nombreux facteurs qui détériorent leur durabilité. L'un d'eux est la dégradation, en particulier dans le catalyseur cathodique, qui est régulièrement exposé aux événements de démarrage et d'arrêt des automobiles. Pendant le fonctionnement normal du véhicule, les piles à combustible reçoivent une alimentation constante en hydrogène à haute concentration, mais la concentration d'hydrogène diminue temporairement lorsque la voiture est éteinte ou démarrée. Par conséquent, lorsque l'air extérieur se mélange à l'hydrogène dans les piles à combustible, une réaction involontaire de réduction de l'oxygène dans l'anode se déclenche, entraînant des sauts de potentiel soudains et une corrosion du carbone dans la cathode.

Gauche. Dans l'image, le débordement d'hydrogène est représenté, dans lequel TiO2 subit une transformation en TiOOH dans des conditions de concentration élevée d'hydrogène, ce qui favorise la mobilité de l'hydrogène à la surface et produit par conséquent de la conductivité. Droite. L'image montre que dans des conditions de concentration d'hydrogène relativement faible, la forte interaction entre Pt et TiO2 conduit à la couverture de Pt par TiO2. Crédit : POSTECH

L'équipe de recherche a conçu un catalyseur (Pt/TiO2), composé de platine (Pt) déposé sur du dioxyde de titane (TiO2), qui arrête efficacement la corrosion dans les piles à combustible utilisées dans les automobiles à hydrogène. Les performances de cet électrocatalyseur proviennent de l'interaction robuste entre le dioxyde de titane et le platine, et de la capacité du débordement d'hydrogène à modifier la conductivité de surface du matériau en réponse à la concentration d'hydrogène dans son voisinage.

Lorsqu'un véhicule s'arrête ou démarre soudainement, la concentration d'hydrogène dans le carburant diminue en conséquence. En conséquence de cette réduction de la concentration en hydrogène, il y a une expansion du dioxyde de titane sur le platine, ce qui entraîne l'enfouissement du platine sous la surface du catalyseur. Cet enfouissement du platine, provoqué par la dilatation du dioxyde de titane, transforme finalement le catalyseur en isolant du fait de la faible conductivité du dioxyde de titane.

Cet effet isolant entrave la capacité du catalyseur à conduire l'électricité, empêchant ainsi une réduction indésirable de l'oxygène qui pourrait provoquer des sauts de potentiel soudains dans la cathode.

A l'inverse, lors d'un fonctionnement standard, la concentration en hydrogène reste élevée. Dans de telles conditions de concentration d'hydrogène élevée, le platine hautement conducteur est exposé à la surface du catalyseur et une réduction du dioxyde de titane se produit, ce qui favorise la mobilité de l'hydrogène à la surface du catalyseur. Ce phénomène, appelé débordement d'hydrogène, améliore le flux de courant et augmente la réaction d'oxydation de l'hydrogène.

L'équipe de recherche a également effectué un test de simulation pour comparer le catalyseur nouvellement développé et les catalyseurs conventionnels. Les résultats des tests ont démontré que les piles à combustible utilisant un catalyseur Pt/TiO2 présentaient une durabilité trois fois supérieure à celle des piles à combustible traditionnelles.

Cette étude a été menée avec le soutien du Future Material Discovery Program, du Hydrogen Energy Innovative Technology Development Project et du Mid-career Researcher Program de la National Research Foundation of Korea.

Ressources

Sang-Hoon You, Sang-Mun Jung, Kyu-Su Kim, Jinhyeon Lee, Jinkyu Park, Ho Yeon Jang, Sangyong Shin, Hyunjoo Lee, Seoin Back, Jinwoo Lee et Yong-Tae Kim (2023) "Enhanced Durability of Automotive Fuel Cells via Selectivity Implementation by Hydrogen Spillover on the Electrocatalyst Surface" ACS Energy Letters 8 (5), 2201-2213 do i : 10.1021/acsenergylett.2c02656

Publié le 14 mai 2023 dans Catalyseurs, Piles à combustible, Hydrogène, Contexte du marché | Lien permanent | Commentaires (0)