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Matériaux des nouvelles technologies pour l’énergie
• Institut Rayonnement Matière de Saclay
• Laboratoire d'Innovation en Chimie des Surfaces et Nanosciences (LICSEN)
A l’heure où nous nous interrogeons sur les réserves fossiles de notre planète et que les dégâts environnementaux liés à leur combustion massive apparaissent aujourd’hui clairement, le remplacement du pétrole dans les transports par d’autres sources d’énergies moins polluantes est un défi majeur et difficile qui suscite aujourd'hui de nombreux travaux de recherche. Parmi les différentes voies explorées dans le cadre du transport automobile, une possibilité serait d’utiliser des moteurs électriques alimentés par des piles à hydrogène en remplacement des moteurs thermiques actuels. L'hydrogène serait produit par électrolyse de l'eau et donc à partir de l’électricité. Le transport "à l’hydrogène" est aujourd’hui techniquement réalisable mais son développement demande une réduction des coûts et l'amélioration de la fiabilité de certains constituants technologiques, en particulier les catalyseurs et les membranes.
Les électrolyseurs (production H2 à partir de l'eau) et les piles à hydrogène (production d'électricité) actuelles contiennent du platine, métal noble rare et cher, comme catalyseur pour l’oxydation ou la production de l’hydrogène. La substitution de ce platine par des métaux plus courants, abondants et bon marché est une nécessité économique, mais constitue un défi technologique majeur. Pourtant, dans le domaine du vivant, de nombreuses bactéries possédent des enzymes hydrogénases capables de réaliser ces réactions catalytiques avec une grande efficacité.
Avec leurs collaborateurs de Grenoble (IBS, IRTSV et LITEN), les chercheurs de l’IRAMIS développent des matériaux d’électrode à base de nanotubes de carbone et de catalyseurs biologiques (hydrogénases) ou de catalyseurs organométalliques inspirés de la structure de ces hydrogénases. Ces électrodes qui présentent une forte surface spécifique, une conductivité métallique et un catalyseur à base de nickel démontrent une activité catalytique prometteuse à la fois pour la production et l'utilisation de l'hydrogène et sont compatibles avec les technologies PEMFC (Proton Exchange Membrane fuel Cell) actuellement développées industriellement.
Parmi les différents types de piles, les plus intéressantes pour les applications dans le domaine du transport sont celles contenant une membrane polymère capable de jouer le rôle d’électrolyte solide. Dupont De Nemours commercialise une membrane à base de polymère perfluoré sulfoné, le Nafion®, largement utilisée malgré sa durée de fonctionnement limitée (5000 h) et sa fragilité mécanique. Des équipes d’IRAMIS essaient de répondre à ce problème en proposant un nouveau type de membrane fluorée : il s’agit d’un film polymère thermoplastique de type PVDF bombardé par les ions lourds rapides du GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds à Caen) et radio-greffé par un polyélectrolyte le long des traces générées lors du passage des ions. Des nanocanaux de circulation sont ainsi créés privilégiant le transport des protons de l’anode vers la cathode. Ce type de membrane, testé en pile au LITEN, se révèle être un excellent matériau comparé au Nafion®.
Contacts : T. Berthelot (SPCSI), P. Chenevier (SPEC), M.-C. Clochard (LSI), B. Jousselme (SPCSI).
Fait marquant IRAMIS :
"Nanosciences et chimie bio-inspirée : un nouveau pas vers la production d’hydrogène sans platine"
Catalyseur bio-inspiré fixé sur nanotube de carbone multi-parois
