La cryo-imagerie lève le voile sur les couches catalytiques des piles à combustible
Premiers aperçus de la nanostructure des couches catalytiques en platine
Grâce à une combinaison inédite de tomographie électronique à transmission cryogénique et d'apprentissage profond, des chercheurs de l'EPFL ont donné un premier aperçu de la nanostructure des couches catalytiques en platine, révélant comment elles pourraient être optimisées pour l'efficacité des piles à combustible.
Sur l'une des images du laboratoire, les nanoparticules de platine apparaissent en rose
© 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 produisant de l'électricité entre l'hydrogène et l'oxygène. La plupart des catalyseurs des 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 possible tout en minimisant la teneur en platine.
Les fabricants intègrent ces catalyseurs dans des assemblages complexes appelés couches catalytiques. Jusqu'à présent, ils devaient le faire sans disposer d'une image détaillée de la structure résultante, car les procédés d'imagerie traditionnels causent presque toujours un certain degré de dommage.
Vasiliki Tileli, responsable du Laboratoire de caractérisation in situ des nanomatériaux par les électrons à l'École d'ingénieurs, a trouvé une solution à ce problème. Grâce à l'imagerie des catalyseurs et de leur environnement à des températures inférieures au point de congélation par tomographie électronique à transmission cryogénique et au traitement des images par apprentissage profond, 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, 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 dans la couche catalytique, afin d'augmenter la surface de contact nécessaire pour que les réactions chimiques aient lieu", explique M. Tileli.
"C'est pourquoi l'imagerie de ces catalyseurs en trois dimensions est une véritable prouesse. Auparavant, il était impossible d'obtenir le bon contraste entre les différents composants de la couche catalytique.
Ces travaux ont récemment été publiés dans la revue Nature Catalysis.
Une meilleure conservation, une plus grande résolution
Lors de l'imagerie par microscopie électronique conventionnelle, les échantillons délicats de couches catalytiques sont souvent endommagés par les faisceaux d'électrons, ce qui entraîne 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. Ils ont ensuite utilisé un algorithme d'apprentissage automatique pour débruiter et classer les images avec plus de précision, ce qui leur a permis d'obtenir une résolution d'image supérieure à ce qui avait été possible auparavant.
Surtout, les scientifiques ont pu mettre en évidence l'épaisseur hétérogène d'une couche de polymère poreux sur les catalyseurs, appelée ionomère. L'épaisseur de l'ionomère influence fortement les performances des catalyseurs à base de platine.
"L'ionomère doit avoir une certaine épaisseur pour que les réactions catalytiques se produisent efficacement. Comme nous avons pu reconstruire entièrement les couches de catalyseur en limitant les dommages à la structure, nous avons pu montrer, pour la première fois, la quantité de platine recouverte d'ionomère et l'épaisseur de cette couverture", explique M. Tileli.
Ces informations pourraient constituer une mine d'or pour les fabricants de catalyseurs, qui pourraient les utiliser pour produire des catalyseurs contenant davantage de particules de platine recouvertes de la bonne quantité d'ionomère - et donc offrant des performances optimales.
"L'aspect cryogénique est l'élément clé de cette étude. Les ionomères sont comme des protéines : ils sont mous et ont besoin de conditions de congélation pour stabiliser et protéger leur structure", explique M. Tileli.
"Je pense que cette technique avancée sera donc utile non seulement pour faciliter la fabrication en masse des PEMFC grâce à une utilisation optimisée du platine, mais aussi pour de nombreuses applications différentes dans les domaines de la science des matériaux et de l'énergie - par exemple, le stockage dans des batteries, l'électrolyse de l'eau et les systèmes de conversion de l'énergie en général.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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