Comment les piles à combustible à carbone direct peuvent-elles s’appuyer sur des catalyseurs au manganèse ?

Des scientifiques pakistanais ont étudié les effets de l’utilisation de catalyseurs au manganèse dans les anodes sur les performances des piles à combustible à carbone direct. Leurs découvertes ont été rapportées dans un nouvel article publié dans la revue ACS Matériaux énergétiques appliqués.

Étudier: Effet des catalyseurs au manganèse sur les performances des anodes dans les piles à combustible à carbone direct. Crédit d’image : tunasalmon/Shutterstock.com

Parmi les diverses technologies proposées pour réduire la dépendance de la société aux combustibles fossiles et atténuer les effets du changement climatique anthropique, les piles à combustible se sont révélées très prometteuses. Ces dispositifs ont été largement explorés pour une utilisation dans les appareils électroniques portables et les véhicules électriques afin de fournir une énergie propre, écologiquement durable et sans émission.

Les piles à combustible sont très efficaces et ont une plus grande flexibilité de carburant et une plus grande densité de puissance par rapport aux dispositifs de production d’énergie conventionnels. Les piles à combustible sont divisées en trois catégories, les piles à combustible à basse température, à température intermédiaire et à haute température, en fonction de leur température de fonctionnement.

Proposées pour la première fois dans les années 1930, les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) ont fait l’objet de nombreuses recherches. Les piles à combustible à oxyde solide sont extrêmement respectueuses de l’environnement, ne produisant que de la chaleur et de l’eau comme sous-produits et ne produisant aucun gaz à effet de serre ni gaz toxique. Cependant, ces technologies sont entravées par les fuites de gaz et la dégradation, qui sont causées par leurs températures de fonctionnement élevées.

Pour surmonter les problèmes des piles à combustible à oxyde solide et améliorer leur viabilité commerciale, les scientifiques ont étudié divers matériaux pour réduire le dépôt de carbone sur les électrodes. Cela a conduit à des recherches sur les conducteurs ioniques et électroniques mixtes à utiliser dans les piles à combustible à température intermédiaire en tant que matériaux d’électrode. Les matériaux pérovskites ont montré un grand potentiel dans ce domaine.

Amélioration de l’efficacité des SOFC

Les pérovskites composées de métaux de terres rares et de métaux alcalins sur le site A et de métaux de transition sur le site B ont montré une conductivité améliorée pour une utilisation dans des électrodes de pile à combustible.

Une pérovskite, LSTO3, a été largement appliqué comme matériau d’anode pour les SOFC en raison de son excellente conductivité électronique, de sa bonne activité électrochimique pour les réactions d’oxydo-réduction et de sa stabilité thermique à haute température. Les pérovskites à base de fer ont été étudiées pour être utilisées comme électrodes SOFC à basse température.

La recherche a montré les avantages des catalyseurs pour les piles à combustible. L’incorporation de catalyseurs dans les anodes améliore l’efficacité des dispositifs et de nombreuses études ont exploré les techniques de dépôt. L’une de ces techniques est le dépôt direct de catalyseurs sur la surface de l’anode. Des études ont montré une performance accrue des piles à combustible qui utilisent l’éthanol comme carburant.

Les matériaux LST et LSCT ont été évalués comme matériaux d’anode dans les piles à combustible qui utilisent le carbone comme source de combustible. La recherche a montré une densité de puissance supérieure dans ces appareils. De plus, plusieurs espèces de métaux de transition ont été étudiées pour leur activité catalytique, notamment le fer, le zinc, le nickel et le cuivre. En les combinant avec des anodes LST, les chercheurs ont montré des performances extrêmement élevées à des températures élevées en utilisant des combustibles subbitumineux.

L’investigation

Le nouvel article publié dans ACS Matériaux énergétiques appliqués a évalué l’effet des catalyseurs au manganèse dans les piles à combustible qui incorporent des anodes LST. Plus précisément, l’effet de ce catalyseur sur le site B de la pérovskite a été étudié. Une méthode de combustion a été utilisée pour préparer le matériau d’anode.

Dans l’étude, une analyse exhaustive des propriétés structurelles, thermiques et microstructurales des matériaux préparés a été réalisée. Les auteurs ont effectué des analyses XRD, SEM et TGA pour fournir des informations pertinentes sur les caractéristiques du matériau. De plus, les auteurs ont construit un appareil qui utilise du carburant sous-bitumineux pour évaluer ses performances.

Résultats de l’étude

Le dopage du matériau d’anode avec du manganèse a provoqué le déplacement des pics LST vers des angles plus petits, ce qui a diminué la taille des particules. Cela a été confirmé par analyse XRD, qui a révélé une structure à phase cubique unique. La taille moyenne des cristaux était de 44 nm.

Une microstructure homogène et poreuse a été révélée par analyse microstructurale, le transport de gaz étant facilité par la microstructure poreuse. L’augmentation de la concentration de manganèse dans le matériau a diminué la taille des particules et des cristallites. Les électrons de manganèse peuvent sauter dans la bande de conduction avec le moins d’énergie, et les résultats théoriques ont confirmé qu’une contribution mineure du manganèse se produit dans la bande de valence.

L’analyse DFT a confirmé que la concentration en manganèse améliore la conductivité du dispositif en raison des états d’énergie Ti et Mn du niveau de Fermi lorsque les concentrations en manganèse ont été augmentées. Ceci était en accord avec les observations expérimentales. La structure uniforme et poreuse du matériau d’anode dopé au manganèse a facilité une conductivité plus élevée. Celle-ci augmente avec la concentration de dopant et la température.

Le matériau synthétisé a la conductivité la plus élevée à 600 SoitC, avec un chiffre de 2,0 S cm-1. Sur la base des résultats expérimentaux et de l’analyse des propriétés thermiques, de conductivité, structurelles et microstructurales du matériau, les auteurs ont conclu que ce nouveau matériau d’anode LST dopé au manganèse peut être envisagé pour une utilisation dans les piles à combustible direct au carbone.

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Autres lectures

Ali, A et al. (2022) Effet des catalyseurs au manganèse sur les performances des anodes dans les piles à combustible à carbone direct ACS Matériaux énergétiques appliqués [online] pubs.acs.org. Disponible sur : https://doi.org/10.1021/acsaem.2c00450

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