Des métaux chiraux pour booster des piles à combustible

Le déploiement des énergies renouvelables dépend encore largement de matériaux ou composants qui utilisent des ressources rares ou critiques. Par exemple, la production d’hydrogène vert à partir d’eau et d’électricité issue des énergies renouvelables comme le soleil ou le vent, ainsi que son utilisation ultérieure dans les piles à combustible, reposent sur des réactions d’oxydation et de réduction qui nécessitent des catalyseurs, souvent à base de métaux critiques. Dans une pile à combustible, l’hydrogène est reconverti en eau et en électricité en présence d’oxygène. Concrètement, l’hydrogène s’oxyde à l’anode en fournissant des électrons (un courant électrique), tandis qu’à la cathode de ces piles se produit la réaction de réduction de l’oxygène en eau en libérant de l’énergie.  Cette dernière réaction est souvent l’étape limitante et nécessite d’être accélérée à l’aide de catalyseurs à base de métaux précieux comme le platine. Malgré des décennies d'efforts pour rendre cette réaction plus efficace, les mécanismes intimes qui la gouvernent continuent de réserver des surprises.

C'est précisément ce qu'a révélé une récente étude parue dans la revue Advanced Science et menée par une équipe de scientifiques français, suédois et thaïlandais, dans le cadre du projet de recherche international ChiraChem. Ils ont étudié une nouvelle famille d’alliages mésoporeux de platine et d’iridium comme catalyseurs de la réduction de l’oxygène. L’originalité de ces catalyseurs est qu’ils sont fabriqués en présence de molécules servant de moules ou guides temporaires, qui transmettent au métal une organisation interne particulière avant d'être éliminées. Les molécules utilisées sont dites chirales, c’est-à-dire qu’elles peuvent exister sous deux formes images l’une de l’autre dans un miroir, mais non superposables. Ces deux formes de la molécule permettent d’obtenir deux matériaux, semblables à première vue, mais aux propriétés radicalement opposées.

Ainsi, dans un cas, une accélération spectaculaire (de l’ordre de 200%) de la réaction de réduction de l'oxygène est observée. Avec le matériau miroir, c’est l’opposé : ce dernier ne se contente pas d'être moins performant, mais ralentit la réaction par rapport à une électrode de même composition mais dépourvue de chiralité. Les expériences montrent également que le matériau le plus efficace favorise directement la formation d'eau, tout en limitant la production de peroxyde d'hydrogène, un sous-produit indésirable.

Pour expliquer cette étonnante dissymétrie, les scientifiques invoquent le rôle du spin, une propriété quantique des électrons souvent assimilée à une minuscule boussole magnétique. Le spin de l'oxygène adsorbé à la surface du catalyseur adopte une orientation préférentielle. Selon la manière dont le matériau a été préparé, les électrons le traversant arrivent alors avec un spin dont l’orientation est soit compatible, soit incompatible avec celle des électrons de l'oxygène. Dans un cas, le transfert d'électrons est facilité ; dans l'autre, il est entravé.

Au-delà de la preuve de concept, ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes en catalyse hétérogène. Ils suggèrent qu'il serait possible de concevoir des catalyseurs capables d'orienter des réactions électrochimiques grâce à leur architecture interne. Si les alliages étudiés reposent encore sur des métaux coûteux, cette stratégie pourrait être étendue à des matériaux plus abondants et à d'autres réactions impliquant plusieurs électrons. Une piste prometteuse pour améliorer les futurs dispositifs de conversion d'énergie et peut-être repenser la façon même dont les propriétés électroniques de la matière contrôlent certaines réactions chimiques.

Rédacteur : AVR