Une équipe américaine développe un nouveau support carboné pour catalyseurs de piles à combustible, conservant 85 % de performance après 150 000 cycles

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe dirigée par Gang Wu, titulaire de la chaire Elvera et William R. Stuckenberg à la McKelvey School of Engineering de l’Université Washington à Saint-Louis (Washington University in St. Louis), en collaboration avec des équipes du Laboratoire national de Brookhaven (Brookhaven National Laboratory), du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Lawrence Berkeley National Laboratory), de l’Université du Nord-Est (Northeastern University) et de l’Université de Pittsburgh (University of Pittsburgh), a réalisé des avancées dans le domaine des catalyseurs pour piles à combustible à basse température. Ils ont développé un nouveau support carboné nanostructuré permettant de préparer des nanoparticules intermétalliques de platine-cobalt à haute activité et haute stabilité à des températures élevées. Les résultats ont été publiés le 6 août 2026 dans la revue Nature Nanotechnology.

L’un des problèmes concrets auxquels cette technologie s’attaque est la consommation électrique des centres de données. La prolifération de nouveaux centres de données aux États-Unis a fait grimper la demande en électricité nécessaire à leur fonctionnement et à leur refroidissement. L’Institut de recherche en énergie électrique (Instituto de Investigación de Energía Eléctrica) estime que d’ici 2030, la consommation électrique des centres de données pourrait atteindre 9 % de la production annuelle d’électricité des États-Unis, contre environ 4 % en 2023. Wu indique que si les centres de données pouvaient produire leur propre électricité de manière autonome grâce à des piles à combustible, convertissant directement l’hydrogène et d’autres carburants en énergie électrique, cela permettrait de soulager le réseau électrique.

Le principe des piles à combustible consiste à combiner l’hydrogène et l’oxygène pour générer de l’électricité, de l’eau et de la chaleur, avec l’aide d’un catalyseur. Le catalyseur accélère les réactions, réduit les pertes d’énergie et améliore les performances globales ainsi que la durabilité à long terme. La difficulté actuelle réside dans la conception du catalyseur : l’activité et la durabilité des matériaux existants ne suffisent pas encore à atteindre les objectifs de performance.

Le platine est un matériau catalytique idéal, mais c’est un métal précieux ; l’objectif est d’en réduire au maximum la quantité sans compromettre les performances catalytiques. La fabrication de nanoparticules de platine permet d’augmenter considérablement la surface exposée, avec une quantité généralement inférieure à un quart de milligramme par centimètre carré. Cependant, pendant le fonctionnement de la pile à combustible, les nanoparticules peuvent se dissoudre, migrer et grossir, entraînant une dégradation progressive des performances.

Les catalyseurs intermétalliques à base de platine, une technologie émergente, sont plus prometteurs que les alliages de platine traditionnels en termes d’activité catalytique et de stabilité. Pour maintenir une bonne dispersion des nanoparticules et maximiser l’utilisation du platine, la plupart des catalyseurs actuels sont synthétisés par recuit à des températures inférieures à 700 °C. Cependant, cette température est insuffisante pour déclencher une transition complète ordre-désordre atomique, transition pourtant essentielle pour améliorer l’activité et la stabilité des catalyseurs intermétalliques.

Le nouveau carbone nanostructuré développé par l’équipe de Wu — des sphères de carbone creuses et poreuses, des canaux nanométriques radiaux ordonnés, ainsi qu’une porosité et une surface spécifique élevées — résout ces difficultés. Ce matériau carboné unique permet de former des nanoparticules intermétalliques de platine-cobalt à haute densité et bien dispersées à des températures élevées, tout en maintenant une dispersion uniforme des nanoparticules, surmontant ainsi le dilemme entre le degré d’ordre atomique et l’uniformité de la distribution des particules.

L’équipe de recherche a chauffé le catalyseur platine-cobalt à 1 000 °C, une température suffisante pour former une structure hautement ordonnée, tout en maintenant des nanoparticules de moins de 5 nanomètres et uniformément réparties, même avec des teneurs élevées en platine privilégiées par l’industrie. Ce support conserve 85 % de ses performances après 150 000 cycles de tension, soit l’équivalent d’environ 25 000 heures de fonctionnement. En général, la synthèse de particules plus grosses sacrifie l’activité au profit de la stabilité ; d’autres efforts visant à améliorer la stabilité entraînent souvent une perte d’activité. Grâce à ses pores plus larges, à sa taille de pores ordonnée et à son immense surface spécifique, ce support carboné surmonte le compromis entre activité et stabilité.

Wu explique que la structure à canaux ouverts favorise une répartition uniforme des matériaux contenant des ions (tels que les ionomères) et facilite le transport des protons, de l’oxygène et de l’eau dans l’électrode. Les nanoparticules de platine-cobalt intégrées dans ce support présentent ainsi de meilleures performances et une meilleure durabilité à long terme. Wu a déposé une demande de brevet pour cette technologie auprès du Bureau de gestion des technologies de l’Université Washington. Il indique qu’avec un développement ultérieur et une collaboration industrielle, il sera possible de résoudre les défis restants des catalyseurs et de promouvoir une application plus efficace et plus durable de la technologie des piles à combustible.