BRIDGE

Transfert de catalyseurs prometteurs vers des systèmes pile à combustible

Le projet BRIDGE vise à identifier et à lever les verrous limitant l’intégration de catalyseurs de réduction de l’oxygène (ORR) prometteurs en conditions ‘laboratoire’ en systèmes PEMFC. Dans ce but, nous construisons une librairie de matériaux état-de l’art à formes contrôlées (octaèdres, cubes, particules creuses, nanofils et éponges) et mettons à l’échelle les processus de synthèse pour atteindre les quantités requises à la préparation d’assemblages membrane-électrodes (AME).
 

Figure 1. Exemple de nanoparticules structurellement ordonnées ou désordonnées synthétisées au LEPMI. (a-c, e-g) Mapping chimique STEM/X-EDS, images TEM correspondantes et transformée de Fourier d’un (d) cube Pt/C et (h) de nanoparticules PtNi/C creuses.

Afin de comprendre les changements de performance dans les conditions de fonctionnement du dispositif, nous caractérisons la structure et la chimie des catalyseurs ainsi que la teneur et la distribution en ionomère au sein de la couche catalytique à chaque étape du processus de fabrication de l’AME. Une « boîte à outils » dédiée au diagnostic (combinant techniques expérimentales avancées et modélisation) est spécifiquement développée à cet effet et les résultats obtenus sont utilisés pour adapter la formulation des encres nécessaires à la préparation d’AMEs optimisés. Le chargement en catalyseur, la chimie des matériaux, la teneur et la chimie du ionomère, l’utilisation d’additifs ou la composition du solvant, seront ainsi rigoureusement optimisés. Des stratégies innovantes permettant de diminuer les limitations liées à la faible densité de sites catalytiques (inhérentes aux particules à forme contrôlée), au mouillage souvent incomplet du catalyseur par l’ionomère et à l’accessibilité limitée de l’O₂ vers les sites catalytiques sont également élaborées. Enfin, des tests de résistance accélérés (AST) sont effectués. Les résultats de ces essais nous aideront à rationaliser pourquoi les mécanismes de dégradation peuvent être différents dans des conditions de fonctionnement simulées et réelles d’une PEMFC.
Le projet rassemble deux laboratoires académiques LEPMI/CNRS et ZSW ainsi que deux partenaires industriels, Heraeus et Symbio. Le LEPMI/CNRS mobilise ses compétences en synthèse d’électrocatalyseurs d’ORR et en électrocatalyse via des électrodes modèles pour appréhender les aspects fondamentaux relatifs aux changements structuraux, de composition et de morphologie se produisant pendant la mise en œuvre des AME. ZSW a en charge l’ingénierie des matériaux nécessaire à l’obtention d’AME optimisés. Les deux partenaires industriels, Heraeus et Symbio sont un fabriquant de matériaux de catalyseurs et un fournisseur d’équipement automobile bien établis. L’utilisateur final, Symbio conçoit et développe une vaste gamme de systèmes PEMFC allant du kW à quelques centaines de KWs pour le véhicule électrique. Au final, le projet BRIDGE couvre toutes les facettes de la technologie PEMFC qui est envisagée dans le domaine de la transition énergétique vers des énergies renouvelables.
 

Remerciements

Ce travail utilise les moyens de caractérisation mis en place par le Centre d’Excellence des Matériaux Architecturés Multifonctionnels "CEMAM" n° AN-10-LABX-44-01. Nous remercions l’Agence Nationale de la Recherche pour le financement du projet BRIDGE.

Références

1. R. Chattot, I. Martens, M. Scohy, J. Herranz, J. Drnec, F. Maillard, L. Dubau, “Disclosing Pt-Bimetallic Alloy Nanoparticle Surface Lattice Distortion with Electrochemical Probes”, accepté dans ACS Energy Lett. DOI: 10.1021/acsenergylett.9b02287
2. R. Chattot, O. Le Bacq, V. Beermann, S. Kühl, J. Herranz, S. Henning, L. Kühn, T. Asset, L. Guétaz, G. Renou, J. Drnec, P. Bordet, A. Pasturel, A. Eychmüller, T. J. Schmidt, P. Strasser, L. Dubau, F. Maillard, “Surface Distortion as a Unifying Concept and Descriptor in Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysis”, Nat. Mater. 17 (2018) 827-833. DOI: 10.1038/s41563-018-0133-2.
3. R. Chattot, T. Asset, P. Bordet, J. Drnec, L. Dubau, F. Maillard, “Beyond strain and ligand effects: Microstrain-induced enhancement of the oxygen reduction reaction kinetics on various PtNi/C nanostructures”, ACS Catal., 7 (1) (2017) 398-408. DOI: 10.1021/acscatal.6b01106.
4. T. Asset, M. Fontana, B. Mercier-Guyon, R. Chattot, N. Job, L. Dubau, F. Maillard, “A Review on Recent Developments and Prospects for Oxygen Reduction Reaction on Hollow Pt-alloy Nanoparticles”, ChemPhysChem., 19 (2018) 1552-1567. DOI: 10.1002/cphc.201800153.