Lacroix
Les piles à flamable à membrane échangeuse de protons (PEMFC), qui sont en cours de développement pour être utilisées dans les véhicules électriques, reposent sur des nanoparticules appelées catalyseurs pour déclencher des réactions de generation d’électricité entre l’hydrogène et l’oxygène. La plupart des catalyseurs PEMFC contiennent du platine, un métal scarce et précieux. Il existe donc un besoin mondial pressant de développer des catalyseurs capables de générer le as well as d’énergie tout en minimisant la teneur en platine.
Les industriels intègrent ces catalyseurs dans des assemblages complexes appelés couches catalytiques. Jusqu’à présent, ils devaient le faire sans une graphic détaillée de la structure résultante, car or truck les processus d’imagerie traditionnels causent presque toujours un certain degré de dommage. Vasiliki Tileli, responsable du Laboratoire de caractérisation in-situ des nanomatériaux avec des électrons à l’École d’ingénieurs, a trouvé un moyen de contourner ce défi. En imageant les catalyseurs et leur environnement à des températures inférieures à zéro à l’aide de la tomographie électronique à transmission cryogénique et en traitant les photos avec un apprentissage en profondeur, elle et ses collègues ont réussi à révéler, pour la première fois, la structure à l’échelle nanométrique des couches de catalyseur.
“Nous sommes encore loin des PEMFC sans platine, ce qui est très cher, donc à court docket terme, nous devons réduire la demand de platine pour rendre cette technologie viable pour la generation de masse. Il est donc impératif de comprendre comment le platine se situe par rapport aux autres matériaux à l’intérieur de la couche de catalyseur, pour augmenter la surface de get hold of requise pour que les réactions chimiques aient lieu », explique Tileli.
“C’est pourquoi c’est tout un exploit d’imager ces catalyseurs en trois dimensions auparavant, il était impossible d’avoir le bon contraste entre les différents composants de la couche de catalyseur.” Les travaux ont récemment été publiés dans la revue Nature Catalysis.
Meilleure conservation in addition haute résolution
Au cours de l’imagerie utilisant la microscopie électronique conventionnelle, les échantillons délicats de la couche de catalyseur sont souvent endommagés par les faisceaux d’électrons, provoquant le rétrécissement ou la déformation des matériaux. En réalisant l’imagerie in situ à des températures cryogéniques, Tileli et son équipe ont pu préserver la majeure partie de la morphologie de la couche de catalyseur. Ensuite, ils ont utilisé un algorithme d’apprentissage automatique pour débruiter et classer les pictures avec as well as de précision, leur permettant d’obtenir une résolution d’image as well as élevée que jamais auparavant.
Fondamentalement, les scientifiques ont pu révéler l’épaisseur hétérogène d’une couche de polymère poreux sur les catalyseurs appelés ionomère. L’épaisseur de l’ionomère affect fortement la performance des catalyseurs au platine.
“L’ionomère doit avoir une certaine épaisseur pour que les réactions catalytiques se produisent efficacement. Parce que nous pourrions faire une reconstruction complète des couches de catalyseur avec des dommages limités à la construction, nous pourrions montrer, pour la première fois, combien de platine est recouvert d’ionomère et l’épaisseur de cette couverture », explique Tileli.
De telles informations pourraient être une mine d’or pour les fabricants de catalyseurs, qui pourraient les utiliser pour produire des catalyseurs avec furthermore de particules de platine qui sont recouvertes par la bonne quantité d’ionomère – et qui fonctionnent donc de manière optimale.
“L’aspect cryogénique est l’élément clé de cette étude. Les ionomères sont comme des protéines : ils sont mous et nécessitent des ailments de congélation pour stabiliser et protéger leur construction”, explique Tileli.
“Je pense que cette procedure avancée sera donc utile non seulement pour faciliter la fabrication en série de PEMFC grâce à une utilisation optimisée du platine, mais également pour de nombreuses applications différentes de la science des matériaux et de l’énergie – par exemple, le stockage de batteries, l’électrolyse de l’eau et les systèmes de conversion d’énergie dans général.”
