La cryo-imagerie lève le voile sur les couches catalytiques des piles à combustible
La cryo-imagerie lève le voile sur les couches catalytiques des piles à combustible

La cryo-imagerie lève le voile sur les couches catalytiques des piles à combustible
Dans l'une des images du laboratoire, les nanoparticules de platine sont représentées en rose. Crédit : INE EPFL

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), qui sont en cours de développement pour être utilisées dans les véhicules électriques, reposent sur des nanoparticules appelées catalyseurs pour déclencher des réactions de production d'électricité entre l'hydrogène et l'oxygène. La plupart des catalyseurs PEMFC contiennent du platine, un métal rare et précieux. Il existe donc un besoin mondial pressant de développer des catalyseurs capables de générer le plus d'énergie tout en minimisant la teneur en platine.

Les industriels intègrent ces catalyseurs dans des assemblages complexes appelés couches catalytiques. Jusqu'à présent, ils devaient le faire sans une image détaillée de la structure résultante, car les processus d'imagerie traditionnels causent presque toujours un certain degré de dommage.

Vasiliki Tileli, responsable du Laboratoire de caractérisation in-situ des nanomatériaux avec des électrons à l'École d'ingénieurs, a trouvé un moyen de contourner ce défi. En imageant les catalyseurs et leur environnement à des températures inférieures à zéro à l'aide de la tomographie électronique à transmission cryogénique et en traitant les images avec un apprentissage en profondeur, elle et ses collègues ont réussi à révéler, pour la première fois, la structure à l'échelle nanométrique des couches de catalyseur.

"Nous sommes encore loin des PEMFC sans platine, ce qui est très cher, donc à court terme, nous devons réduire la charge de platine pour rendre cette technologie viable pour la production de masse. Il est donc impératif de comprendre comment le platine se situe par rapport aux autres matériaux à l'intérieur de la couche de catalyseur, pour augmenter la surface de contact requise pour que les réactions chimiques aient lieu », explique Tileli.

"C'est pourquoi c'est tout un exploit d'imager ces catalyseurs en trois dimensions ; auparavant, il était impossible d'avoir le bon contraste entre les différents composants de la couche de catalyseur."

Les travaux ont récemment été publiés dans la revue Catalyse naturelle.

Vue animée de la reconstruction segmentée HSC7. Crédit: Catalyse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41929-023-00947-y

Meilleure conservation; plus haute résolution

Au cours de l'imagerie utilisant la microscopie électronique conventionnelle, les échantillons délicats de la couche de catalyseur sont souvent endommagés par les faisceaux d'électrons, provoquant le rétrécissement ou la déformation des matériaux. En réalisant l'imagerie in situ à des températures cryogéniques, Tileli et son équipe ont pu préserver la majeure partie de la morphologie de la couche de catalyseur. Ensuite, ils ont utilisé un algorithme d'apprentissage automatique pour débruiter et classer les images avec plus de précision, leur permettant d'obtenir une résolution d'image plus élevée que jamais auparavant.

Fondamentalement, les scientifiques ont pu révéler l'épaisseur hétérogène d'une couche de polymère poreux sur les catalyseurs appelés ionomère. L'épaisseur de l'ionomère influence fortement la performance des catalyseurs au platine.

"L'ionomère doit avoir une certaine épaisseur pour que les réactions catalytiques se produisent efficacement. Parce que nous pourrions faire une reconstruction complète des couches de catalyseur avec des dommages limités à la structure, nous pourrions montrer, pour la première fois, combien de platine est recouvert d'ionomère et l'épaisseur de cette couverture », explique Tileli.

Ces informations pourraient être une mine d'or pour les fabricants de catalyseurs, qui pourraient les utiliser pour produire des catalyseurs avec plus de particules de platine qui sont recouvertes par la bonne quantité d'ionomère et qui fonctionnent donc de manière optimale.

"L'aspect cryogénique est l'élément clé de cette étude. Les ionomères sont comme des protéines : ils sont mous et nécessitent des conditions de congélation pour stabiliser et protéger leur structure", explique Tileli.

"Je pense que cette technique avancée sera donc utile non seulement pour faciliter la fabrication en série de PEMFC grâce à une utilisation optimisée du platine, mais également pour de nombreuses applications différentes de la science des matériaux et de l'énergie, par exemple, le stockage des batteries, l'électrolyse de l'eau et les systèmes de conversion d'énergie en général. ."

Plus d'information: Robin Girod et al, Nanoimagerie tridimensionnelle des couches de catalyseur de pile à combustible, Catalyse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41929-023-00947-y

Fourni par l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Citation: La cryo-imagerie lève le voile sur les couches catalytiques des piles à combustible (2023, 24 avril) récupéré le 24 avril 2023 sur

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