Piles à combustible : mieux comprendre l’instabilité des catalyseurs sans platine

Dans le contexte des changements climatiques mondiaux, limiter la pollution atmosphérique urbaine est un enjeu important. Les piles à combustible Dihydrogène/Air à membrane polymérique (PEMFC), considérées comme une solution alternative propre et efficace au moteur à combustion interne plus polluant, se placent ainsi au cœur des recherches d’une équipe de l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (CNRS/Université Clermont Auvergne/SIGMA Clermont) et de leurs collègues canadiens de l’Institut nationale de la Recherche Scientifique (INRS). En effet, l’utilisation de métaux du groupe du platine (MGP) comme catalyseur dans ces piles demeure un frein à leur large déploiement, de par leur coût élevé. Les scientifiques proposent donc de remplacer ce catalyseur, surtout à la cathode de la pile où la réaction de réduction de l’oxygène est connue comme électrochimiquement lente.

Jusqu’à présent, un tel remplacement a été principalement entravé par la mauvaise stabilité à long terme des catalyseurs sans MGP les plus actifs et les plus performants pour l’électroréduction de l’oxygène dans les piles à combustible PEMFC. Ces catalyseurs sans MGP cessent leur activité au bout d’un temps trop court pour être rentables. Déterminer l’origine de cette instabilité est donc primordial.

Or des études précédentes ont montré qu’ajouter du fluor à un catalyseur peut aider à maintenir sa stabilité, en stabilisant le support sur lequel le catalyseur est déposé. L’équipe a alors exploré le comportement d’un de ces catalyseurs sans MGP, un catalyseur cathodique (noté NC) à base de carbone, azote, argon et de métal fer, avant et après fluoration par du fluor moléculaire à température ambiante, afin de mieux comprendre son activité et sa stabilité. Elle a démontré que la fluoration stabilise bien le support du catalyseur mais empoisonne tous les sites catalytiques à base de métaux, les rendant inactifs. Les sites à base de carbone et d’azote, actifs en électroréduction de l’oxygène et situés en surface du catalyseur, ne sont pas empoisonnés. L’effet stabilisateur attendu du fluor sur ces derniers est donc minimisé par l’inactivation des sites métalliques.

Même si les catalyseurs NC empoisonnés au fluor peuvent être partiellement (70 %) réactivés par un traitement thermique à 900 °C sous argon, le traitement au fluor n’est donc pas, à ce stade de l’étude qui se poursuit, suffisamment efficace en termes de stabilisation. La comparaison du comportement électrochimique des électrodes empoisonnées et réactivées révèle la complexité du problème d’instabilité qui affecte ces catalyseurs très actifs et démontre que les instabilités de leurs sites catalytiques à base de métaux ou à base de carbone et azote n’ont pas la même origine.

Références

Gaixia Zhang, Xiaohua Yang, Marc Dubois, Michael Herraiz, Régis Chenitz, Michel Lefèvre, Mohamed Cherif, François Vidal, Vassili P. Glibin, Shuhui Sun and Jean-Pol Dodelet
Non-PGM electrocatalysts for PEM fuel cells: Effect of fluorination on the activity and the stability of a highly active NC_Ar+NH3 catalyst
Energy & Environmental Science, Energy Environ. Sci. - Juillet 2019
DOI: 10.1039/C9EE00867E