Catalyseurs Oxides Innovants pour la prochaine génération de PEMFC – InnOxiCat

Pour préparer la prochaine génération de véhicules automobiles électrique à hydrogène équipés de pile à combustible de type PEMFC, la question de la substitution de matières premières critiques telles que les métaux du groupe du platine (PGM) est cruciale pour de nombreuses raisons. Parmi elles, le coût est un problème majeur: 30% du coût de la PEMFC provient de l'utilisation de Pt comme catalyseur dans les deux électrodes. De plus, la disponibilité de matières premières stratégiques, telles que les PGM dans des zones extrêmement restreintes de la planète (Afrique du Sud et Russie principalement), rend très urgente la question de leur substitution. Le remplacement des catalyseurs PGM nécessite de répondre aux trois objectifs suivants: (i) acquérir des connaissances sur les structures et compositions pratiques de matériaux non-PGM pour la cathode à pile à combustible, (ii) réaliser la synthèse des matériaux et la caractérisation de leurs propriétés physicochimiques et électrochimiques et (iii) atteindre des performances supérieures à celles de l’état de l’art des matériaux non PGM pour le développement de PEMFC de nouvelle génération. En effet, les progrès réalisés jusqu'à présent dans la réduction de la teneur en Pt dans la PEMFC n'apparaissent pas comme une avancée suffisante pour réduire la dépendance à l'égard de métaux critiques et stratégiques, même si l'objectif de 0,1 gPt / kW a été (presque) atteint.
Les objectifs du projet InnOxiCat concernent non seulement le développement de catalyseurs non-PGM applicables à la prochaine génération de PEMFC, mais visent également à obtenir de nouvelles connaissances sur de nouveaux matériaux à l’aide de simulations de dynamique moléculaire réactive (rMD), associées à leur synthèse par criblage de catalyseur expérimental combinatoire en utilisant les dépôts par pulvérisation cathodique magnétron réactif (RMSD).
Dans ce contexte, le projet InnOxiCat fait le choix novateur et ambitieux de développer des catalyseurs à base d'oxyde de titane et de zirconium et d'oxynitrure pour la réaction de réduction de l'oxygène (ORR), le titane et le zirconium étant plus disponible sur Terre que le platine (et bien sur bien moins couteux). Pour atteindre les objectifs, la mise au point d'une méthode de synthèse permettant de contrôler la sous-stœchiométrie en oxygène des matériaux revêt une importance primordiale. Les procédés de pulvérisation plasma sont appropriés pour la synthèse de ce type d'oxydes et d'oxy-nitrures en nanoparticules ou films minces, car ils peuvent couvrir une large gamme de compositions.
Pour ces raisons, le projet InnOxiCat a pour objectif scientifique: (i) de concevoir de nouveaux catalyseurs oxydes sous-stœchiométriques/oxynitrures de Ti et / ou de Zr, utilisant à la fois la chimie computationnelle (rMD) et le dépôt par pulvérisation cathodique au plasma réactif, (ii) d’atteindre les objectifs de performances électrochimiques et de durabilité ciblées par le DoE, et (iii) d’approfondir la compréhension des mécanismes électrochimiques impliqués afin de mieux identifier les voies d'amélioration des performances et de la durabilité des catalyseurs non PGM. InnOxicat sera donc en mesure de proposer de nouveaux concepts de rupture pour la prochaine génération de piles à combustible destinées aux applications automobiles.
Ainsi, les principaux résultats attendus d’InnOxiCat sont les suivants:
- Nouveaux catalyseurs cathodiques innovants et efficaces non-PGM pour PEMFC à base d’oxydes sous-stoechiométriques de Ti et / ou de Zr, présentant des lacunes d’oxygène ou à base d'oxynitrures;
- Une méthodologie générale pour trouver le meilleur catalyseur non-PGM en combinant des simulations prédictives à l'échelle atomique et des caractérisations avancées des catalyseurs, ainsi que des tests en mono-cellule. En particulier, l’amélioration de la réduction des pertes liées au transport de masse et l’accroissement de la durabilité seront mieux compris.