Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


Accueil > Faits marquants

Amélioration de la réaction de réduction de l’oxygène dans une pile à combustible grâce à une interphase de carbone

par WAROT Bénédicte - publié le , mis à jour le

Nous proposons un support hybride modifié, composé de nanotubes de carbone exfoliés et de nanotubes de carbone multi-parois co-dopés à l’azote et au soufre en tant qu’électro catalyseur haute performance pour la réaction de réduction de l’oxygène dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Les analyses Raman et TEM ont montrés qu’une interaction améliorée et plus forte entre les nanoparticules de Pt et le matériau support augmente les performances et la durabilité à une densité de puissance élevée de 642 mW / cm2. Il a été observé que l’oxyde de graphène réduit n’améliore pas les performances des cellules.

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont des alternatives technologiques vertes prometteuses. Le coût élevé résultant de l’utilisation d’électro catalyseurs à base de Pt et les problèmes de stabilité sont un obstacle à la commercialisation du PEMFC. La cinétique de réaction de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) est beaucoup plus lente que la réaction d’oxydation de l’hydrogène (HOR) qui se produit à l’anode, ce qui implique une quantité élevée de charge du catalyseur du côté de la cathode. Des efforts sont faits pour réduire la charge de Pt soit en réalisant un alliage, soit en adaptant et dopant de manière appropriée le matériau support. L’utilisation d’un matériau support à haut degré de graphitisation comme les matériaux composites nanotubes de carbone / graphène présente l’avantage d’avoir une bonne stabilité thermique, une conductivité électrochimique et une stabilité électrochimique. Nous avons conçu un matériau carboné hybride 1D-2D comprenant des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) et du graphène de quelques couches (FLG) comme support pour le catalyseur Pt dans les PEMFC. Nos résultats indiquent qu’une forte liaison interfaciale entre la particule de catalyseur et le support est cruciale pour empêcher la dégradation du matériau catalyseur. Cela a été vu en utilisant la spectroscopie Raman, la microscopie électronique à haute résolution (STEM-EDS) et l’XPS. Nous démontrons que le support 1D-2D co-dopé formé in situ conduit à une performance supérieure par rapport à des supports hybrides similaires obtenus en ajoutant de l’oxyde de graphène réduit (rGO) aux NTC co-dopés.

JPEG - 22.4 ko
Schéma de nanotubes de carbone exfoliés dopés à l’azote et au soufre avec et sans oxyde de graphène réduit

Nous avons utilisé un support hybride modifié composé de nanotubes de carbone exfoliés et de MWCNT co-dopés N et S pour développer un électro catalyseur haute performance pour l’ORR en PEMFC. Des études Raman indiquent que les défauts introduits dans le MWCNT après exfoliation partielle et co-dopage sont une combinaison de défauts de type bord et de défauts interstitiel. Les mesures des piles à combustible montrent que l’association Pt / NS PECNT conduit à une densité de puissance élevée de 642 mW / cm2, ce qui est 30% plus élevé que celui observé lors de la combinaison avec de l’oxyde de graphène réduit. 

Remerciement

Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet indo-français CEFIPRA DUPONT (2017-2020)

Référence de la publication

Optimizing metal-support interphase for efficient fuel cell oxygen reduction reaction catalyst

Divya Nechiyil, Meenakshi Seshadhri Garapati, Rashmi Chandrabhan Shende, Sébastien Joulié, David Neumeyer, Revathi Bacsa, Pascal Puech, Sundara Ramaprabhu, Wolfgang Bacsa

Journal of Colloid and Interface Science 561 (2020) 439-448, doi.org/10.1016/j.jcis.2019.11.015

Contact

W. Bacsa, P. Puech