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Amélioration des performances des piles à combustible grâce à la technologie de fabrication des semi-conducteurs

Développement de méthodes de synthèse de nanoparticules métalliques pour une production de masse respectueuse de l'environnement en utilisant l'application de pulvérisation cathodique, une technologie de dépôt de métal. Applicable aux catalyseurs de pile à combustible à hydrogène haute performance.

Une équipe de recherche en Corée a synthétisé des nanoparticules métalliques qui peuvent considérablement améliorer les performances des catalyseurs de piles à combustible à hydrogène en utilisant la technologie de fabrication des semi-conducteurs. L'Institut coréen des sciences et technologies (KIST, président Seok Jin Yoon) a annoncé que l'équipe de recherche dirigée par le Dr Sung Jong Yoo du Centre de recherche sur les piles à combustible à hydrogène a réussi à synthétiser des nanoparticules par une méthode physique plutôt que les réactions chimiques existantes par en utilisant la technologie de pulvérisation cathodique, qui est une technologie de dépôt de film métallique mince utilisée dans la fabrication de semi-conducteurs.

Les nanoparticules métalliques ont été étudiées dans divers domaines au cours des dernières décennies. Récemment, les nanoparticules métalliques ont attiré l'attention en tant que catalyseur essentiel pour les piles à combustible à hydrogène et les systèmes d'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène. Les nanoparticules métalliques sont principalement préparées par des réactions chimiques complexes. De plus, ils sont préparés à partir de substances organiques nocives pour l'environnement et l'homme. Par conséquent, des coûts supplémentaires sont inévitablement engagés pour leur traitement, et les conditions de synthèse sont difficiles. Par conséquent, une nouvelle méthode de synthèse de nanoparticules capable de surmonter les lacunes de la synthèse chimique existante est nécessaire pour établir le régime énergétique de l'hydrogène.

 Illustration du processus de synthèse étape par étape pour la préparation de catalyseurs de nanoparticules ternaires et le réarrangement de la structure électronique par transfert d'électrons entre atomes métalliques.

Le procédé de pulvérisation cathodique appliqué par l'équipe de recherche du KIST est une technologie qui recouvre un mince film métallique lors du processus de fabrication du semi-conducteur. Dans ce processus, le plasma est utilisé pour découper de gros métaux en nanoparticules, qui sont ensuite déposées sur un substrat pour former un film mince. L'équipe de recherche a préparé des nanoparticules à l'aide de «glucose», un substrat spécial qui a empêché la transformation des nanoparticules métalliques en un film mince en utilisant du plasma pendant le processus. La méthode de synthèse utilisait le principe du dépôt physique en phase vapeur utilisant un plasma plutôt que des réactions chimiques. Par conséquent, des nanoparticules métalliques pourraient être synthétisées à l'aide de cette méthode simple, surmontant les limites des méthodes de synthèse chimique existantes.

 Analyses physiques des catalyseurs PtCo/C et PtCoV/C préparés.

Analyses physiques des catalyseurs PtCo/C et PtCoV/C préparés.

Le développement de nouveaux catalyseurs a été entravé car les méthodes de synthèse chimique existantes limitaient les types de métaux pouvant être utilisés comme nanoparticules. De plus, les conditions de synthèse doivent être modifiées en fonction du type de métal. Cependant, il est devenu possible de synthétiser des nanoparticules de métaux plus divers grâce à la méthode de synthèse développée. De plus, si cette technologie est appliquée simultanément à deux ou plusieurs métaux, des nanoparticules d'alliage de diverses compositions peuvent être synthétisées. Cela conduirait au développement de catalyseurs nanoparticulaires à hautes performances basés sur des alliages de diverses compositions.

L'équipe de recherche du KIST a synthétisé un catalyseur de nanoparticules d'alliage platine-cobalt-vanadium à l'aide de cette technologie et l'a appliqué à la réaction de réduction de l'oxygène dans les électrodes des piles à combustible à hydrogène. En conséquence, l'activité du catalyseur était 7 et 3 fois supérieure à celle des catalyseurs au platine et à l'alliage platine-cobalt qui sont utilisés dans le commerce comme catalyseurs pour les piles à combustible à hydrogène, respectivement. De plus, les chercheurs ont étudié l'effet du vanadium nouvellement ajouté sur d'autres métaux dans les nanoparticules. Ils ont découvert que le vanadium améliorait les performances du catalyseur en optimisant l'énergie de liaison platine-oxygène grâce à la simulation informatique.

Le Dr Sung Jong Yoo du KIST a commenté : « Grâce à cette recherche, nous avons développé une méthode de synthèse basée sur un nouveau concept, qui peut être appliquée à la recherche axée sur les nanoparticules métalliques en vue du développement de systèmes d'électrolyse de l'eau, de cellules solaires, de produits pétrochimiques. . Il a ajouté : "Nous nous efforcerons d'établir une économie de l'hydrogène complète et de développer une technologie neutre en carbone en appliquant des nanoparticules d'alliage avec de nouvelles structures, ce qui a été difficile à mettre en œuvre, pour développer des technologies énergétiques respectueuses de l'environnement, y compris les piles à combustible à hydrogène".

 

L'Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST) , fondé en tant que premier institut de recherche multidisciplinaire financé par le gouvernement en Corée, a établi une stratégie de développement national basée sur la science et la technologie et a diffusé diverses technologies industrielles essentielles. Aujourd'hui, un demi-siècle plus tard, le KIST élève le statut de la Corée dans le domaine de la science et de la technologie grâce à une R&D technologique fondamentale de pointe. Tourné vers l'avenir, le KIST continuera à s'efforcer d'être un institut de recherche de premier plan, poursuivant un avenir meilleur pour l'homme.

Cette recherche a été menée dans le cadre d'un projet majeur du KIST, un programme de développement technologique pour résoudre le changement climatique, et un programme de développement technologique des nanomatériaux de la National Research Foundation of Korea avec le soutien du ministère des Sciences et des TIC (ministre Hyesook Lim). Les résultats de l'étude ont été publiés dans le dernier numéro de « Nano Today » (IF : 20,722, top 4,25 % dans JCR), une revue scientifique internationale dans le domaine des nanoparticules.

 

Source: Communiqué de presse (https://www.eurekalert.org/news-releases/944760)

 

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