Depuis longtemps, les scientifiques s’efforcent de développer des piles
à combustible à haut rendement pour en faire une source d’énergie
respectueuse de l’environnement dans les véhicules électriques.
Cependant, le professeur Chen Tsan-Yao du Department of Engineering and
System Science (Université nationale Tsing Hua, Taïwan) a récemment fait
une percée majeure en utilisant les ondes ultrasonores pour réaliser de
minuscules rainures à la surface de divers matériaux, qui, conjointement
avec un catalyseur au platine à l’échelle atomique, peuvent être
utilisés pour doubler le rendement des piles à combustible alcalines
(AFC).
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Prof. Chen Tsan-Yao recently developed a way of using ultrasonic waves to make tiny grooves on a metal surface, which in conjunction with an atomic-scale platinum catalyst can be used to double the efficiency of alkaline fuel cells. (Photo: National Tsing Hua University)
Ce catalyseur à l’échelle atomique décuple l’intensité du courant de
réduction de l’oxygène (réaction cathodique), sans dégradation pendant
huit mois de fonctionnement continu, tout en réduisant le coût de
production de 90 % ; ces cellules ont une durée de vie de deux à trois
ans. Cette recherche révolutionnaire a été publiée et choisie comme
document de réflexion sur les matériaux énergétiques dans le numéro de
février de la revue Energy Materials. Nature Communications. Le
professeur Chen explique qu’il met actuellement au point une corrélation
quantique dans le catalyseur afin de rendre les cellules encore moins
chères et plus efficaces.
Explorer les limites à l’échelle atomique
Une pile à combustible est un dispositif de production d’énergie qui
convertit l’énergie chimique en énergie électrique. Les AFC sont plus
sûrs et plus efficaces que les batteries acides et sont donc largement
utilisées dans les engins spatiaux et les satellites. Le catalyseur est
l’élément clé de la performance des piles à combustible. Le professeur
Chen explique que de nombreux facteurs ont un impact sur l’efficacité du
catalyseur, en particulier sa taille. A volume égal, plus les particules
de catalyseur sont petites, plus la surface est grande et plus le
rendement est élevé. Cependant, si les particules sont trop petites,
elles deviennent instables et perdent rapidement leur efficacité. Ainsi,
le défi de M. Chen consistait à trouver un moyen de réduire sa taille et
d’accroître sa stabilité.
Inspiré de l’amour du café soda
M. Chen a ajouté que le soda au café l’inspire dans ses stratégies. En
2016, alors qu’il discutait avec un propriétaire de café, il a découvert
que selon l’ordre dans lequel le café et le soda sont versés dans le
verre, la douceur, le goût et la quantité des bulles sont très
différents. Par conséquent, il a demandé à ses assistants de recherche
d’inverser l’ordre dans la croissance des cristaux. Contrairement à la
méthode traditionnelle, ils ajoutent de nouveaux matériaux toutes les
dix secondes et arrêtent la réaction après seulement quelques secondes,
ce qui donne les catalyseurs Pt à base de trimère.
Réduction des coûts, augmentation de l’efficacité et allongement de
la durée de vie
Il n’est pas surprenant que les étudiants de M. Chen aient d’abord eu
des doutes quant à son approche peu orthodoxe. Après des centaines de
défaillances, ils ont finalement fabriqué les catalyseurs Pt à base de
trimère qui sont restés stables tout en maintenant une activité élevée
dans les AFC. M. Chen a expliqué que la quantité de platine utilisée
dans son catalyseur atomique n’est que de 1 %, comparativement à 35 %
pour le catalyseur commercial moyen, et que la densité du courant de
masse est 30 fois plus élevée.
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