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Remplacer le platine des électrodes dans les piles à combustible
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Parmi les solutions pour remplacer à terme les énergies fossiles, une des plus prometteuses technologiquement est la pile à combustible. Une équipe constituée de différents chercheurs des universités de Dayton, d'Akron et d'un laboratoire de l'Air Force (Ohio), s'est penchée sur le problème des électrodes. Les chercheurs ont en effet trouvé une solution qui pourrait permettre de remplacer l'utilisation du platine par (encore eux !) des nanotubes de carbone, dopés au nitrogène...
Le platine recouvre typiquement en fine couche les électrodes pour jouer le rôle de catalyseur dans les réactions chimiques de réduction et d'oxydation. Il est très utilisé, sous différentes formes, par exemple des nanoparticules, mais il reste un obstacle aux applications à grande échelle de ces piles, du fait de son prix élevé. L'équipe de chercheurs, dirigée par Liming Dai, a montré que des nanotubes dopés au nitrogène alignés verticalement peuvent agir comme une électrode ayant de bien meilleures activités électrocatalytique, stabilité à long terme, et tolérance à l'effet de "crossover" que le platine dans les piles à combustibles alcalines. La solution apportée par l'équipe montre des résultats très prometteurs, avec des densités de courant quatre fois supérieures aux électrodes au platine courantes. Un autre problème des électrodes de platine est que le monoxyde de carbone venait se coller à la surface du platine et rendre l'électrode moins efficace avec le temps, mais il n'en est rien sur les nanotubes.
La présence de petite quantités de nitrogène sur les parois des nanotubes, typiquement autour de quatre ou six atomes de nitrogène tous les 100 atomes de carbone, a pour effet de repousser les électrons des atomes de carbone voisins, leur donnant une charge positive. Lorsqu'un potentiel électrochimique est appliqué à l'électrode, ces atomes de carbone sont réduits et deviennent négatifs ou neutres. Lorsque l'oxygène est présenté à la surface de l'électrode, les atomes de carbone sont prêts à donner des électrons pour revenir à leur état positif d'origine. C'est, d'après Dai, le mécanisme qui se produit à la cathode pour la réduction de l'oxygène.
Pour fabriquer les électrodes, les chercheurs ont commencé avec un composé de carbone, de nitrogène et de fer. Ils placent ce composé sur un substrat de quartz, et chauffent en présence d'ammoniac, ce qui forme les nanotubes dopés au nitrogène. Après une oxydation pour se débarrasser de l'excès de fer, la couche de nanotubes est transférée sur un polymère, l'électrode est ainsi formée.
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