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11 Nov, 2020

Les épinards donnent un coup de fouet aux piles à combustible

Les épinards donnent un coup de fouet aux piles à combustible

Les catalyseurs à base d’épinards pourraient alimenter les piles à combustible plus efficacement que les traditionnelles piles au platine

Lorsque Shouzhong Zou et son équipe du département de chimie de l’université américaine ont décidé d’essayer les épinards pour améliorer les performances des piles à combustible, ils ont même été un peu surpris de voir à quel point cela fonctionnait bien. Dans leurs expériences de validation du concept, ils ont utilisé des épinards achetés dans des supermarchés locaux pour fabriquer un catalyseur riche en carbone qui peut être utilisé dans les piles à combustible et les batteries métal-air.

Les épinards ont servi de précurseur pour les catalyseurs haute performance nécessaires aux réactions de réduction de l’oxygène (ORR) dans les piles à combustible. Traditionnellement, les piles à combustible utilisent des catalyseurs à base de platine, mais non seulement le platine est très cher et difficile à obtenir, mais il peut être vulnérable à l’empoisonnement chimique dans certaines conditions. Par conséquent, les chercheurs se sont penchés sur les catalyseurs dérivés de la biomasse, à base de carbone, pour remplacer le platine, mais il y a eu des goulets d’étranglement dans la préparation des matériaux de manière rentable et non toxique.

« Nous avons eu un peu de chance de ramasser des épinards », lance Shouzhong Zou, en raison de leur forte teneur en fer et en azote. « À ce stade, notre méthode nous oblige à ajouter un peu plus d’azote dans le produit de départ, car même si [les épinards] contiennent beaucoup d’azote au départ, une partie de cet azote se perd au cours du processus de préparation ».

Shouzhong Zou et son équipe n’ont pas été les premiers à découvrir les merveilles électrochimiques des épinards, bien sûr, même si d’autres études ont utilisé les feuilles vertes à d’autres fins. Par exemple, une étude de 2014 a récolté le charbon actif des épinards pour créer des électrodes de condensateur, tandis qu’un article plus récent a abordé les nanocomposites à base d’épinards comme photocatalyseurs. Les épinards, en plus d’être abondants en fer et en azote (tous deux essentiels dans les ORR), sont faciles à cultiver, et « nettement moins chers que le platine », ajoute Shouzhing Zou.

La préparation du catalyseur à base d’épinards sonne comme une recette de smoothie aussi suspecte que le premier lavage des feuilles fraîches, la pulvérisation dans un jus et la lyophilisation. Ce jus lyophilisé est ensuite broyé en une poudre, à laquelle on ajoute de la mélamine comme promoteur d’azote. On ajoute également des sels comme le chlorure de sodium et le chlorure de potassium – « un peu comme le sel de table que nous utilisons dans notre cuisine », explique Shouzhong Zou – nécessaires pour créer des pores qui augmentent la surface disponible pour les réactions. Les nanofeuilles sont produites à partir de composites épinards-mélane-sel en les pyrolysant à 900 C plusieurs fois. « Il est évident que nous pouvons optimiser la préparation de ce matériau [pour le rendre plus efficace] ».

Un catalyseur efficace signifie une réaction plus rapide et plus efficace. Dans le cas des piles à combustible, cela peut augmenter la production d’énergie des batteries. C’est là que la porosité des nanofeuilles intervient. « Même si nous les appelons nanofeuilles », précise Shouzhong ou, « quand elles sont empilées ensemble, ce n’est pas comme une pile de papier qui est très solide ». L’ajout de sels pour créer de minuscules trous qui permettent à l’oxygène de pénétrer dans le matériau plutôt que d’accéder uniquement aux surfaces extérieures. « Nous devons le rendre suffisamment poreux pour que… tous les sites actifs puissent être utilisés. »

L’autre facteur qui a disposé favorablement l’équipe de l’Université américaine envers les épinards était qu’ils sont une source renouvelable de biomasse. « La durabilité est un facteur très important dans notre réflexion », assure Shouzhong Zou. La grande question à explorer, ajoute-t-il, est de savoir comment nous pouvons éviter la concurrence « avec la table du dîner ». (La production de biocarburants a déjà soulevé des inquiétudes quant au détournement des cultures vivrières des bouches affamées). « Et la seconde est de savoir comment réduire l’empreinte carbone en ce qui concerne la préparation de son catalyseur… car actuellement nous utilisons des températures élevées dans notre procédure de préparation… Si nous pouvons trouver différentes façons de le faire pour obtenir le même type de matériau, cela réduira la consommation d’énergie et l’empreinte carbone de manière significative ».

Même si les résultats sont prometteurs, il reste encore un long chemin à parcourir. Shouzhong Zou met en garde contre le fait que l’étude réalisée jusqu’à présent n’est qu’une preuve de principe. « Nous devons être très prudents lorsque nous parlons d’applications pratiques car quelque chose qui montre d’excellentes performances dans des conditions [de laboratoire] pourrait devenir plus difficile lorsque nous le mettons en œuvre dans un appareil réel. Un autre aspect qui doit être étudié plus avant, ajoute-t-il, est que si le catalyseur dérivé des épinards surpasse les catalyseurs à base de platine dans des conditions alcalines, les performances en milieu acide ne sont pas aussi efficaces. « Il est donc évident que nous devons encore procéder à quelques réglages pour voir s’ils peuvent fonctionner dans une gamme de pH.« 

Un prototype complet est évidemment l’étape suivante : tester le catalyseur dérivé des épinards dans une pile à combustible. « C’est le genre d’expertise que je n’ai pas dans mon laboratoire à ce stade », admet Shouzhong Zou. « Nous envisageons de collaborer avec d’autres groupes, ou nous pouvons renforcer notre expertise dans ce domaine, car c’est une étape nécessaire ».

https://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/fuel-cells/spinach-gives-fuel-cells-a-power-up

https://www.american.edu/cas/faculty/szou.cfm