Les Défis du CEA n°157 février 2011
Les Défis du CEA n°157 février 2011
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°157 de février 2011

  • Périodicité : mensuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (200 x 297) mm

  • Nombre de pages : 20

  • Taille du fichier PDF : 4,5 Mo

  • Dans ce numéro : catalyseurs... comment planquer le platine ?

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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8 À la une les défis du cea février 2011 Membrane de micropile à combustible à faible chargement en platine. » > MATIÈRES PREMIÈRES catalyseurs plus simples, plus stables et bon marché », explique Vincent Artero, qui dirige le projet. L’équipe élabore ainsi plusieurs générations de catalyseurs, d’abord avec un atome de cobalt ou avec un couple d’atomes nickel/ruthénium, enfin avec un couple fer/nickel. D’autres équipes dans le monde poursuivent alors le même but, comme celle de Dan DuBois au Pacific Northwest National Laboratory, aux États-Unis. En 2008, dans le cadre du programme transverse Nanosciences du CEA, l’institut grenoblois s’allie avec une équipe du CEA-Iramis 2 à Saclay. Mission : réussir à greffer ces catalyseurs bio-inspirés sur des électrodes à base de nano- LE « RISQUE MÉTAUX » Le cours élevé du platine s’explique par son extrême rareté sur Terre. Il s’en produit 200 à 300 tonnes par an, essentiellement en Afrique du Sud et en Russie. Aujourd’hui, les pots d’échappement catalytiques des automobiles en absorbent à eux seuls plus de la moitié, la joaillerie un cinquième et diverses technologies de pointe le reste. La généralisation d’électrolyseurs et de Pac utilisant du platine mènerait donc à une impasse, la demande excédant la production. Et le platine n’est pas le seul dans ce cas… En 2008, la Commission européenne demandait à un groupe d’experts d’examiner 41 minéraux économiquement importants. Dans leur rapport, rendu en juin 2010, ceux-ci distinguent 14 éléments « critiques » combinant la rareté, P.-F. Grosjean/CEA Le principe de fonctionnement des catalyseurs bio-inspirés s’appuie sur celui des hydrogénases. l’importance économique, en particulier pour les technologies émergentes, et la fragilité des approvisionnements (monopoles de production, instabilité politique…). On y trouve le platine et les métaux de sa famille, mais aussi le lithium (batteries), le gallium (panneaux photovoltaïques, diodes électroluminescentes, circuits intégrés), le germanium (fibres optiques), les « terres rares » (diverses technologies, extraites exclusivement en Chine), etc. Pour neuf d’entre eux, dont le platine, il apparaît qu’en 2030 la demande des seules technologies de pointe excédera la production totale ! C’est ce que les économistes appellent le « risque métaux », un problème moins médiatisé mais tout aussi préoccupant – et encore plus pressant – qu’une éventuelle pénurie de pétrole. tubes de carbone (NTCs) intégrables dans une Pac. Les catalyseurs synthétisés à Grenoble demandant encore un peu de mise au point, les deux équipes se tournent alors vers ceux de Dan DuBois, plus faciles à modifier. Un matériau insensible aux polluants Rappelons ici que chaque élément d’une Pac est formé de deux électrodes séparées par une membrane de Nafion , un polymère conducteur de protons. L’hydrogène gazeux (H 2) est oxydé à l’anode, ce qui produit des protons (H +) et des électrons. Ces derniers passent par un circuit extérieur, où ils créent le courant électrique fourni à l’utilisateur, et rejoignent la cathode. Là, ils se combinent à l’oxygène gazeux (O 2) et aux protons qui ont traversé la membrane centrale pour former de l’eau (H 2 O). Pour produire de l’hydrogène à partir de l’eau dans un électrolyseur, c’est la réaction opposée qui se produit : on apporte un courant électrique qui permet de « casser » la molécule d’eau en oxygène à l’anode et en hydrogène à la cathode. Le matériau obtenu par les chercheurs du CEA, dûment breveté, s’est montré capable de catalyser tout aussi bien la production d’hydrogène à la cathode d’un électrolyseur que son oxydation à l’anode d’une Pac 3. De plus, il se révèle insensible à la présence de polluants comme le notes : 2. Voir rubrique « Ils ont contribué… », p.3. 3. Le Goff A., Artero V., Jousselme B., Tran P.D., Guillet N., Metaye R., Fihri A., Palacin S., Fontecave M., 2009, Science, vol. 326,pp. 1384-1387. Le platine est un métal rare dont seules 200 à 300 tonnes sont produites par an, ce qui explique son coût très élevé. Biosphoto
CNRS Photothèque numéro 157 les d éfis du cea Assemblage d’une cellule électrochimique dans le cadre de la production d’hydrogène électrocatalysé. monoxyde de carbone (CO), qui « empoisonne » les catalyseurs à base de platine 4. « Lorsque l’hydrogène est produit à partir de la biomasse, ce qui est une des possibilités de production durable, il contient forcément une certaine concentration de CO », rappelle Vincent Artero. Enfin, l’échantillon testé a fonctionné durant de nombreuses heures, en continu, sans perte de performance ! Ces essais ont été effectués grâce à un dispositif de caractérisation électrochimique au CEA-Liten à Grenoble, dans les mêmes conditions que celles utilisées pour tester les couches actives à base de platine. Le matériau est actuellement testé en micropile planaire (pile complète), toujours au CEA-Liten 5, dans le cadre d’un projet de l’Agence nationale de la recherche (ANR). Les densités de courant obtenues restent cependant encore de cent à mille fois plus faibles qu’avec du platine. Dès lors, comment augmenter la puissance de la pile ? Par la mise au point de nouvelles voies d’élaboration et une variation de la composition du matériau. « Mais le futur du projet passera aussi par une meilleure compréhension de la structure intime du matériau », estime Vincent Artero, qui a entamé une collaboration à ce sujet avec un laboratoire de spectroscopie d’absorption des rayons X de la Freie Universität de Berlin. « Il s’agit d’exploiter tout le potentiel de la chimie de synthèse pour élaborer des catalyseurs plus simples, plus stables et bon marché. » Vincent Artero, directeur de projet Liten, travaillent depuis 2009 sur la modélisation théorique de la réactivité de ces catalyseurs bio-inspirés. Spécialistes à la fois de chimie théorique et d’électrochimie théorique, ils utilisent l’informatique pour comprendre les mécanismes élémentaires se déroulant lors d’une réaction chimique. L’idéal pour eux serait de décrire, grâce aux équations de la physique quantique, le niveau d’énergie et le comportement de chaque électron impliqué. Une description complète et exacte des mécanismes réactionnels serait alors disponible. Mais aucun ordinateur n’est assez puissant pour cela. « Nous devons donc intégrer un minimum d’approximations. La meilleure méthode actuelle s’appelle DFT (Density Functional Theory). On peut parler d’une véritable méthode expérimentale : les résultats obtenus ainsi in silico sont aussi probants qu’une manipulation réelle ! », affirme Valentina Vetere. « Nous avons ainsi pu réinterpréter le mécanisme catalytique mis en jeu lors de l’oxydation de l’hydrogène, qui est très différent de celui proposé Intégrer un minimum d’approximations Une autre équipe grenobloise a adopté une approche jusqu’alors », poursuit-elle. En fait, pour que l’oxydation complémentaire. Valentina Vetere et AlejandroFranco, de l’hydrogène (et donc la génération d’un courant électrique) puisse avoir lieu, celui-ci doit d’abord se fixer au respectivement chercheurs au CEA-Inac 6 et au CEA- » > notes : 4. Tran P.D., Le Goff A., Heidkamp J., Jousselme B., Guillet N., Palacin S., Dau H., Fontecave M., Artero V., 2010, Angew. Chem. Int., doi : 10.1002/anie.201005427. 5. Voir rubrique « Ils ont contribué… », p.3. 6. Voir rubrique « Ils ont contribué… », p.3. In silico//Expériences modélisées par des ordinateurs grâce à l’utilisation de processeurs à base de silicium, par analogie avec les expériences réalisées in vivo sur les organismes. 9



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