Des catalyseurs aux cathodes: Une approche d'architecture contrôlée d'électrode pour pile PEM à base de métaux abondants – CAT2CAT

La pile à combustible à électrolyte membrane polymère (PACEM) fonctionnant à H2/air est une technologie émergeante ayant des applications dans le secteur automobile et de l'électronique portable. Cependant, le recours à des catalyseurs à base de platine pour la cathode de la PACEMP constitue un frein à son développement. Le projet CAT2CAT a pour objectif la mise au point de cathodes de PACEM à base d'éléments abondants plus performantes que celles existant actuellement. Des synthèses de matériaux composites innovants impliquant des nano-cristaux ou films minces de solides poreux (acronyme MOF, d'après "Metal-Organic Frameworks") assemblés sur des substrats carbonés ordonnés seront développées afin de marier les propriétés antagonistes de micro-, macroporosité et graphitisation, nécessaire afin d'élaborer une cathode ayant une activité catalytique, des propriétés de transport des réactifs et une durabilité satisfaisantes. Ces composites innovants, mettant en jeu des sites catalytiques à base de fer, azote et carbone (Fe, N, C), seront mis en forme dans des électrodes autosupportées ayant une porosité et une graphitisation contrôlées.
La méthode de fabrication actuelle des cathodes de PACEM (séchage d'encre comprenant catalyseur et ionomère) ne permet pas de contrôler leur structure. En particulier, le réseau mésoporeux résultant induit un mécanisme de diffusion de l'O2 intrinsèquement lent. Les architectures de cathode développées dans CAT2CAT augmenteront considérablement l'accessibilité des réactifs (O2, protons et électrons) aux sites catalytiques. Ceci permettra une percée de la puissance électrique produite en fonctionnement sous air relativement à l'état de l'art.
Jusqu'à présent, l'élaboration de cathodes à architecture contrôlée s'est concentrée sur les réseaux 2D de nanotubes ou nanofibres de carbone (NTC, NFC) alignés verticalement. Ces approches n'ont pas abouti à une percée de la puissance électrique. En effet, l'activité de catalyseurs Fe-N-C à base de NTC/NFC est faible en milieu PACEM du fait de la nature ordonnée de ces matériaux carbonés. Il est maintenant reconnu que les sites actifs à base de fer nécessitent une phase de carbone désordonné et des micropores.
Afin de surmonter cet obstacle, nous élaborerons des électrodes autosupportées dont la structure repose sur des NTC ou NFC, de haute stabilité chimique et mécanique, mais dont l'activité pour la réduction d'O2 est assurée par des domaines de carbone désordonné microporeux intégrant les sites catalytiques de fer. Ces domaines seront élaborés par pyrolyse de nano-cristaux ou films minces de MOF assemblés sur NTC/NFC. L'architecture 3D sera élaborée par filage électrostatique du catalyseur (précurseur) et d'un polymère choisi, formant un tissu de morphologie contrôlée (porosité, épaisseur) comprenant de nombreux macropores. Le contrôle simultané de la structure micro- et macroporeuse de telles architectures permettra d'élaborer des électrodes autosupportées possédant une activité élevée et des propriétés de transport des espèces supérieures à l'état de l'art. Une conductivité électrique améliorée due au caractère autosupporté de l'électrode, une conductivité des protons augmentée dû à des ratio ionomère/catalyseur plus élevés que ceux permis dans les électrodes actuelles et une diffusion/convection de l'O2 plus rapide du fait des macropores permettront d'augmenter la puissance électrique générée par des cathodes Fe-N-C par un facteur 3 par rapport à l'état de l'art, une étape clé pour l'utilisation de catalyseurs Fe-N-C pour application portable ou automobile. Cette nouvelle génération d'électrodes sera transférable à d'autres applications de conversion électrochimique de l'énergie, dans lesquelles le remplacement de catalyseurs à base de métaux nobles par des catalyseurs moins onéreux mais intrinsèquement moins actifs est aujourd'hui limité par l'accès restreint des réactifs aux sites catalytiques dans des électrodes nécessairement plus épaisses.