Des chercheurs de l’Université de Tohoku ont développé une nouvelle méthode pour prédire les performances des catalyseurs moléculaires métal-azote-carbone (MNC), essentiels au progrès de la technologie des piles à combustible. Leur étude met en évidence un nouvel outil prédictif qui s’appuie sur des simulations informatiques pour étudier les interactions entre les champs électriques et les niveaux de pH. Cette avancée ouvre une voie plus efficace pour développer des catalyseurs qui fonctionnent efficacement dans différentes conditions environnementales, surmontant ainsi potentiellement l’un des principaux obstacles à l’adoption généralisée de la technologie des piles à combustible.
Les chercheurs de l’Université du Tohoku ont mis au point une méthode pour prédire les performances de nouveaux catalyseurs pour les piles à combustible, accélérant potentiellement le développement de solutions d’énergie propre plus efficaces.
Les chercheurs de l’Université du Tohoku ont créé un moyen fiable de prédire les performances d’un nouveau type de catalyseur prometteur. Leur percée accélérera le développement de catalyseurs efficaces pour les environnements alcalins et acides, économisant ainsi du temps et des efforts dans les efforts futurs visant à créer de meilleures piles à combustible.
Les détails de leurs recherches ont été récemment publiés dans la revue Science chimique.
Structures des catalyseurs moléculaires Fe-Azaphtalocyanines (AzPc) à longue chaîne. Après des relaxations géométriques DFT avec plus de 650 atomes, différents « schémas de danse » sont apparus en raison des interactions variables entre les chaînes latérales moléculaires et le substrat de graphène. Crédit : Hao Li, Hiroshi Yabu et al.
La technologie des piles à combustible a souvent été présentée comme une solution prometteuse pour une énergie propre ; cependant, des problèmes liés à l’efficacité du catalyseur ont empêché son adoption à grande échelle.
Les catalyseurs moléculaires métal-azote-carbone (MNC) possèdent des propriétés structurelles distinctives et d’excellentes performances électrocatalytiques, en particulier pour la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) dans les piles à combustible. Ils offrent une alternative économique aux catalyseurs à base de platine.
Propriétés uniques des catalyseurs MNC
L’une de ces variantes de catalyseurs MNC est l’azaphtalocyanine dopée aux métaux (AzPc). Ceux-ci possèdent des propriétés structurelles uniques, caractérisées par des groupes fonctionnels à long étirement. Lorsque ces catalyseurs sont placés sur un substrat de carbone, ils prennent des formes tridimensionnelles, un peu comme un danseur placé sur scène. Ce changement de forme influence leur efficacité pour l’ORR à différents niveaux de pH.
Les courbes de polarisation RDE expérimentales sont fournies à pH = 1 et pH = 13. Cette figure offre des comparaisons directes entre les potentiels demi-onde expérimentaux et simulés. Crédit : Hao Li, Hiroshi Yabu et al.
Pourtant, traduire ces propriétés structurelles bénéfiques en performances accrues constitue un défi qui nécessite une modélisation, une validation et une expérimentation importantes, ce qui nécessite beaucoup de ressources.
“Pour surmonter ce problème, nous avons utilisé des simulations informatiques pour étudier comment les performances du catalyseur Fe-AzPcs sur support carbone pour les réactions de réduction de l’oxygène changent avec différents niveaux de pH, en examinant comment les champs électriques interagissent avec le pH et le groupe fonctionnel environnant”, explique Hao Li, professeur agrégé à l’Institut avancé de recherche sur les matériaux (WPI-AIMR) de l’Université de Tohoku et auteur correspondant de l’article.
Modèles de volcan ORR dépendants du pH et courbes LSV simulées des dérivés Fe-AzPc. Volcans dépendants du champ pH. Les côtés gauche et droit de la barre de couleur représentent la corrélation entre le champ électrique et le pH. Ce chiffre sert de référence pour nos expériences. Crédit : Hao Li, Hiroshi Yabu et al.
En analysant les performances du Fe-AzPcs dans l’ORR, Li et ses collègues ont incorporé de grandes structures moléculaires avec des arrangements complexes à longue chaîne, ou « modèles de danse », avec des arrangements de plus de 650 atomes.
Surtout, les données expérimentales ont révélé que la modélisation microcinétique couplée au champ pH correspondait étroitement à l’efficacité ORR observée.
“Nos résultats suggèrent que l’évaluation du transfert de charge se produisant sur le site Fe, où l’atome de Fe perd généralement environ 1,3 électrons, pourrait constituer une méthode utile pour identifier les groupes fonctionnels environnants appropriés pour l’ORR”, ajoute Li. “Nous avons essentiellement créé une analyse de référence directe pour le modèle microcinétique afin d’identifier les catalyseurs MNC efficaces pour l’ORR dans diverses conditions de pH.”
Référence : « Analyse comparative de la modélisation microcinétique couplée au champ pH contre la réduction de l’oxygène dans les catalyseurs Fe-azaphtalocyanine à grande échelle » par Di Zhang, Yutaro Hirai, Koki Nakamura, Koju Ito, Yasutaka Matsuo, Kosuke Ishibashi, Yusuke Hashimoto, Hiroshi Yabu et Hao Li, 15 mars 2024, Sciences Chimiques.
DOI : 10.1039/D4SC00473F
2024-05-22 06:45:20
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