Piles à combustible d'oxydation de borohydrure et de réduction d'eau avancées par l'enrichissement local en hydroxyde inhibant l'hydrolyse de borohydrure sur des sites de Cu(0)

Génie énergétique Ingénierie Chimie de l'énergie Chimie Catalyse Science des matériaux
pile à combustible hydrolyse de borohydrure dopage au cuivre phosphure de cobalt électrocatalyse

Contexte académique

Les piles à combustible au borohydrure (Direct Borohydride Fuel Cells, DBFCs), en tant que source d’énergie potentiellement neutre en carbone, attirent une grande attention en raison de l’utilisation du borohydrure de sodium (NaBH4) comme carburant à l’anode. Le NaBH4 possède des avantages tels que la portabilité, l’innocuité, la solubilité dans l’eau et la stabilité environnementale, ce qui permet théoriquement aux piles DBFC d’offrir une tension allant jusqu’à 1,64 V et une densité énergétique de 9,3 kWh/kg. Cependant, les DBFCs traditionnelles font face à deux défis majeurs en pratique : une cinétique lente de la réaction de réduction de l’oxygène à la cathode (ORR) et une faible sélectivité de la réaction d’oxydation du borohydrure à l’anode (BOR), entraînant une densité de puissance et une efficacité insuffisantes pour les applications industrielles.

Afin de résoudre ces problèmes, les chercheurs ont proposé une nouvelle pile à combustible au borohydrure (BHFC), où la réaction d’évolution d’hydrogène en milieu acide (HER) remplace l’ORR traditionnelle afin de réaliser à la fois une génération d’électricité efficace et une production simultanée d’hydrogène. Cette étude a conçu un catalyseur BOR à haute sélectivité grâce à des stratégies d’ingénierie d’interface et de modulation de l’environnement local, inhibant de manière significative l’hydrolyse du NaBH4 et améliorant ainsi les performances de la pile à combustible.

Source de l’article

Cet article est co-écrit par Libo Zhu, Chang Chen, Tiantian Wu et d’autres chercheurs du State Key Laboratory of High-Performance Ceramics and Superfine Microstructure, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences. Les auteurs correspondants sont Xiangzhi Cui et Jianlin Shi. L’article a été publié le 13 mars 2025 dans la revue « Chem » sous le titre « Borohydride Oxidation-Water Reduction Fuel Cells Advanced by Local Hydroxyl Enrichment-Inhibited Borohydride Hydrolysis on Cu(0) Sites ».

Processus de recherche

1. Conception et synthèse du catalyseur

Les chercheurs ont conçu et synthétisé un catalyseur à base de nanofeuillets de phosphure de cobalt dopés au cuivre (CoP) croissant sur une mousse de cuivre (Cu–CoP/CF). Ce catalyseur est préparé par une méthode en deux étapes : dépôt électrochimique suivi d’une phosphatation, où des nanofeuillets de Co(OH)2 sont d’abord développés sur la mousse de cuivre puis convertis en Cu–CoP/CF par traitement au phosphore.

2. Caractérisation du catalyseur

Le catalyseur a été soigneusement caractérisé par microscopie électronique à balayage (SEM), microscopie électronique en transmission (TEM), diffraction des rayons X (XRD) et spectroscopie Raman. Les résultats montrent que Cu–CoP/CF conserve la morphologie en nanofeuillets et que le cuivre est effectivement incorporé dans la phase CoP, formant la phase Cu3P.

3. Tests de performance électrocatalytique

Les chercheurs ont testé la performance HER du catalyseur en milieu acide ; les résultats indiquent que Cu–CoP/CF possède une excellente activité et stabilité HER dans 0.5 M H2SO4, avec une surtension de seulement 39 mV et sans diminution évidente de la densité de courant sur 700 heures. En milieu alcalin, Cu–CoP/CF montre également d’excellentes performances BOR, avec une surtension de -49 mV et une stabilité maintenue durant 260 heures.

4. Mécanisme de modulation de l’environnement local

Par des techniques telles que la spectroscopie photoélectronique X in situ (XPS) et la résonance paramagnétique électronique (EPR), les chercheurs ont observé qu’au cours du BOR, le Cu(I) de surface de Cu–CoP/CF est réduit en Cu(0) par le NaBH4, créant un environnement local enrichi en OH-, ce qui inhibe l’hydrolyse du NaBH4 et améliore significativement la sélectivité du BOR.

5. Tests de performance de la pile à combustible

Les chercheurs ont assemblé une BHFC utilisant Cu–CoP/CF comme catalyseur à l’anode et à la cathode pour tester ses performances électrochimiques. Les résultats montrent que la densité de puissance maximale de la BHFC atteint 114 mW/cm², tandis que le taux de production d’hydrogène à la cathode atteint au moins 40 mol/h/m², nettement supérieur à celui des DBFCs traditionnelles.

Principaux résultats

  1. Caractérisation du catalyseur : Cu–CoP/CF conserve la morphologie en nanofeuillets et le Cu est efficacement dopé dans la phase CoP, formant du Cu3P.
  2. Performance HER : Cu–CoP/CF montre une excellente activité et stabilité HER en milieu acide, avec une surtension de seulement 39 mV, sans décroissance notable de la densité de courant après 700 heures.
  3. Performance BOR : Cu–CoP/CF présente également une remarquable activité BOR en milieu alcalin, avec une surtension de -49 mV et une stabilité sur 260 heures.
  4. Modulation de l’environnement local : Lors du BOR, le Cu(I) de Cu–CoP/CF est réduit en Cu(0) par NaBH4, créant un environnement local enrichi en OH- qui inhibe l’hydrolyse du NaBH4 et améliore significativement la sélectivité du BOR.
  5. Performance de pile à combustible : La BHFC affiche une densité de puissance maximale de 114 mW/cm² et un taux de production d’hydrogène à la cathode d’au moins 40 mol/h/m².

Conclusion et signification

Cette étude a permis, grâce à l’ingénierie d’interface et à la modulation de l’environnement local, de concevoir un catalyseur BOR hautement sélectif, inhibant fortement l’hydrolyse du NaBH4 et améliorant ainsi les performances des piles à combustible au borohydrure. La BHFC développée produit non seulement de l’électricité efficacement, mais également de l’hydrogène en parallèle, ce qui présente une grande valeur scientifique et des perspectives d’application prometteuses. Cette recherche offre une nouvelle stratégie pour le développement de piles à combustible au borohydrure hautement efficaces et fait avancer la technologie des énergies neutres en carbone.

Points forts de la recherche

  1. Catalyseur BOR hautement sélectif : Par dopage au Cu et enrichissement local en hydroxyle, l’hydrolyse du NaBH4 est fortement inhibée et la sélectivité du BOR accrue.
  2. Excellente performance HER et BOR : Cu–CoP/CF offre une excellente activité et stabilité électrocatalytique, aussi bien en milieu acide qu’alcalin.
  3. Haute performance de pile à combustible : La densité de puissance maximale de la BHFC atteint 114 mW/cm² et le taux de production d’hydrogène à la cathode au moins 40 mol/h/m².
  4. Mécanisme de modulation de l’environnement local : La réduction in situ du Cu(I) en Cu(0) crée un environnement local enrichi en OH-, inhibant l’hydrolyse du NaBH4.

Autres informations intéressantes

Cette étude a également approfondi le mécanisme réactionnel du BOR grâce à la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et à la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier in situ (FTIR), confirmant davantage l’importance du dopage au Cu pour accroître la sélectivité du BOR. Ces résultats apportent des bases théoriques et un soutien expérimental au développement de piles à combustible au borohydrure hautement efficaces.