Un nouveau catalyseur à un seul atome permet à une batterie zinc-air d'atteindre une densité de puissance record
Non précieux et pourtant splendide
La transformation à long terme vers les énergies renouvelables est inconcevable sans les technologies modernes de stockage de l'énergie. Il s'agit notamment des batteries, dans lesquelles l'électricité est temporairement stockée sous forme d'énergie chimique. Pour qu'elles soient efficaces, il est essentiel de disposer de catalyseurs appropriés qui permettent aux réactions chimiques associées de se dérouler de manière optimale. Des scientifiques de Dresde se sont penchés sur la batterie zinc-air, un type de batterie bien connu qui est aujourd'hui principalement utilisé comme pile bouton, par exemple dans les appareils auditifs. À cette fin, ils ont mis au point un nouveau catalyseur à base de zirconium, un métal de base. Il peut remplacer le platine, le métal précieux le plus couramment utilisé comme catalyseur à ce jour, tout en transformant la pile en une véritable centrale électrique.
Entrons dans les détails : Le catalyseur poreux (boules rouges) accueille sur sa surface des sites denses de zirconium catalytiquement actifs (illustrés dans le cercle jaune), améliorant ainsi les réactions chimiques de la batterie associées au stockage d'énergie.
©Copyright: HZDR/Bernd Schröder, Minghao Yu
Le nouveau catalyseur améliore considérablement les performances de charge et de décharge de la batterie. Il est également très durable : après 130 heures de fonctionnement, la batterie testée conservait encore 92 % de son courant initial. "Il s'agit d'une excellente valeur si l'on considère que nous n'en sommes encore qu'aux premiers stades du développement", déclare le Dr Agnieszka Kuc de l'Institut d'écologie des ressources du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Elle étudie les propriétés physico-chimiques des catalyseurs de batteries. Ceux-ci sont souvent utilisés sous la forme de nanostructures métalliques sur des matériaux de support appropriés, leurs atomes métalliques agissant comme des sites catalytiques actifs. La taille des particules métalliques utilisées est importante pour les performances de ces catalyseurs : L'expérience de la recherche montre que l'efficacité catalytique des atomes métalliques augmente généralement plus les particules métalliques qui les abritent sont petites.
"La frontière ultime est le catalyseur à un seul atome : des atomes métalliques isolés répartis individuellement sur un support", explique le Dr Minghao Yu de la TU Dresden. Il conçoit des catalyseurs centrés sur des atomes uniques de métaux de transition - comme le zirconium - piégés dans une matrice de carbone par des atomes de carbone ou d'azote voisins situés dans un plan. "Dans notre cas, cependant, nous avons également un atome d'oxygène comme partenaire de coordination supplémentaire au-dessus de notre métal, ce qui entraîne une interaction supplémentaire avec la structure électronique du zirconium", explique M. Yu, soulignant une caractéristique particulière qui pourrait conduire à une nouvelle stratégie de conception pour les catalyseurs avancés à atome unique.
Le catalyseur est conçu pour réduire les effets d'un phénomène qui limite l'efficacité pratique de nombreuses réactions électrochimiques : le "surpotentiel", une mesure de la déviation de la chimie réelle dans la cellule de la batterie par rapport à ce qui pourrait être attendu en théorie. "Cela signifie essentiellement que nous pouvons exploiter moins d'énergie que ne le prévoit la thermodynamique", explique M. Kuc.
Une miniaturisation délicate
Les catalyseurs réduisent ce surpotentiel et deviennent ainsi la clé de l'efficacité de la conversion de l'énergie chimique en énergie électrique. Aujourd'hui, les catalyseurs à base de platine sont la référence en matière de chimie des batteries pour les applications commerciales. Cependant, ils présentent un inconvénient : le platine ne se trouve qu'en petites quantités dans la croûte terrestre et est donc très cher. Le développement de nouveaux catalyseurs basés sur des métaux moins nobles comme alternatives viables a donc été au centre de la recherche au cours des dernières décennies. Aujourd'hui, les scientifiques de Dresde défendent un candidat qui bat tous les records : le métal de base zirconium.
Les chercheurs de l'Université technique de Dresde, de l'Institut Max Planck de physique chimique des solides (MPI-CPfS) et du HZDR ont dû faire attention à un effet de la miniaturisation : La diminution de la taille des particules favorise l'agglomération de ces mêmes particules en petits amas. Cela entraîne à son tour des performances limitées, en particulier à des densités de courant de fonctionnement élevées. L'utilisation d'un matériau porteur approprié qui interagit fortement avec le métal permet d'éviter cette agglomération et de créer des clusters métalliques stables, finement répartis et dotés d'une activité catalytique élevée. Avec une distribution bien définie et uniforme des atomes de métal, les catalyseurs peuvent atteindre une activité et une sélectivité élevées.
"Dans notre cas, nous avons isolé notre matériau synthétisé à la surface de sphères de quartz, qui présentent une structure poreuse avantageuse pour les processus catalytiques. Dans notre arrangement, nous avons constaté une aversion prononcée du zirconium pour l'agglomération, de sorte que nous avons pu produire des catalyseurs avec une charge élevée de zirconium. En conséquence, nous avons atteint une densité de puissance record parmi toutes les batteries zinc-air précédemment fabriquées avec des catalyseurs à un seul atome", rapporte M. Kuc.
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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