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De nouveaux catalyseurs organiques pourraient réduire sensiblement le coût des piles à combustible
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L’un des obstacles auxquels les chercheurs sont confrontés est que la technologie actuelle des piles à combustible repose sur l’utilisation de catalyseurs métalliques coûteux comme le platine pour convertir l’hydrogène en énergie ; cependant, une équipe du Collège et de la Graduate School of Arts & Sciences de l'Université de Virginie a identifié une molécule organique qui pourrait constituer un substitut efficace et moins coûteux aux catalyseurs métalliques conventionnels.
Les piles à combustible qui rendent possibles les véhicules électriques et les générateurs industriels et résidentiels et qui sont nécessaires pour stocker l'énergie générée par le vent ou le soleil utilisent des métaux comme le platine pour déclencher la réaction chimique qui divise les sources de carburant comme l'hydrogène gazeux en protons et en électrons, qui sont ensuite exploités comme l'électricité. Jusqu’à présent, les substituts organiques aux catalyseurs à métaux rares n’étaient pas considérés comme pratiques car le processus de catalyse les faisait se décomposer en composants qui ne sont plus utiles. Dans un article publié dans le Journal de l'American Chemical Society, cependant, les professeurs agrégés de chimie Charles Machan et Michael Hilinski, ainsi que les étudiantes Emma Cook et Anna Davis identifient une molécule organique composée de carbone, d'hydrogène, d'azote et de fluor qui a le potentiel de constituer un substitut pratique.
La molécule peut non seulement initier la réduction de l’oxygène – la réaction qui a lieu à l’intérieur de la pile à combustible – a déclaré Machan ; il peut continuer à réagir avec les produits de la réaction puis revenir à son état initial. « Ces molécules sont stables dans des conditions dans lesquelles la plupart des molécules se dégradent, et elles continuent d'atteindre une activité qui correspond au niveau des catalyseurs de métaux de transition », a déclaré Machan. Cette découverte représente une avancée significative dans la recherche de piles à combustible efficaces utilisant des matériaux plus durables et moins coûteux à produire et pourrait aboutir au développement de la prochaine génération de piles à combustible d'ici cinq à dix ans, mais les découvertes ne sont qu’un début.
« Cette molécule elle-même pourrait ne pas en faire une pile à combustible », a déclaré Machan. « Cette découverte indique qu’il peut exister des matériaux catalytiques à base de carbone et que si vous les modifiez avec certains groupes chimiques, vous pouvez espérer les transformer en d’excellents catalyseurs pour la réaction de réduction de l’oxygène. L’objectif à terme est d’intégrer les propriétés qui rendent cette molécule si stable dans un matériau massif, afin de supplanter l’utilisation du platine. Hilinski, dont le groupe de recherche se concentre sur la chimie organique, a souligné l'importance de la nature interdisciplinaire de l'équipe de recherche. « Cette molécule que nous utilisons comme catalyseur a une histoire dans mon laboratoire, mais nous avons toujours étudié son utilisation dans des réactions chimiques effectuées sur des molécules beaucoup plus grosses contenant du carbone, comme les ingrédients actifs des médicaments », a déclaré Hilinski. « Sans l'expertise de Charlie Machan, je ne pense pas que nous aurions fait le lien avec la chimie des piles à combustible. »
Cette découverte pourrait également avoir des implications sur la production industrielle de peroxyde d'hydrogène, un produit ménager également utilisé dans la production de papier et le traitement des eaux usées. « Le processus de fabrication du peroxyde d'hydrogène est peu respectueux de l'environnement et très gourmand en énergie », a déclaré Machan. « Cela nécessite un reformage à la vapeur à haute température du méthane pour libérer l’hydrogène utilisé pour le générer. » Les découvertes de son équipe pourraient également améliorer la composante catalytique de ce processus, ce qui pourrait avoir des impacts positifs sur l'industrie et l'environnement ainsi que sur la technologie de traitement de l'eau.
Hilinski a également souligné que la découverte et la collaboration qui y a conduit pourraient avoir des impacts bien au-delà du stockage d’énergie. « Dans l’ensemble, l’un des aspects les plus intéressants de cette étude est qu’en électrifiant le catalyseur, nous avons modifié sa façon de réagir. C’est quelque chose d’inattendu qui pourrait également être utile pour la synthèse de médicaments, que mon groupe de recherche est impatient d’explorer ».
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
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