Des chercheurs du CEA, associé au CNRS et à l'Université Grenoble-Alpes ont réussi pour la première fois à observer en 3D la couche ultrafine du polymère échangeur d'ions contenu dans les électrodes d'une pile à combustible, où se déroulent les réactions électrochimiques produisant de l'électricité. Les scientifiques ont développé un mode opératoire inédit, basé sur la microscopie électronique, afin d'étudier la structure de ce polymère à l'échelle nanométrique. À terme, cette technique pourra servir à contrôler cet élément pour développer de nouveaux procédés ou de nouveaux modèles d'électrodes. Ces résultats sont publiés sur le site de
Nature Communications le 30 octobre 2014.
Dans les électrodes d'une pile à combustible (PAC), l'électricité est produite par des réactions électrochimiques se déroulant dans une couche ultrafine de polymère conducteur protonique. Cette nanocouche de polymère est la zone où tous les réactifs chimiques sont acheminés, et mis en contact avec des particules de carbone contenant le catalyseur de la réaction: le platine. Jamais observée directement avec précision, l'épaisseur de la nanocouche de polymère est estimée entre 5 et 10 nanomètres (10-9 m). L'épaisseur et la surface de contact entre le polymère et les particules de carbone sont pourtant des éléments-clés pour la performance de la pile à combustible: c'est dans cette zone que tous les réactifs se retrouvent en contact.
Les chercheurs du SPRAM, du SP2M et du CEA-Liten sont parvenus à développer un mode opératoire qui permet de visualiser la répartition de ce polymère dans les électrodes, et ainsi de contrôler tous ces paramètres. Le CEA-Leti a pour sa part apporté les solutions de reconstruction 3D des images obtenues.
En travaillant sur des échantillons dont le nanocatalyseur (platine) a été retiré, et marqués au césium (pour un meilleur contraste sur les images générées), ils ont pu, grâce à un microscope électronique en transmission de pointe, observer ces prélèvements d'électrodes en 3D. Ils ont ainsi déterminé avec précision à la fois l'épaisseur de la couche mais aussi son taux de recouvrement des particules de carbone. Cette nouvelle technique de mesure donne accès à ces données jusqu'alors inatteignables et indispensables pour un bon contrôle de la fabrication de ces éléments, afin d'obtenir une couche optimale (fine et continue) qui permettra d'améliorer le fonctionnement de la PAC.
Les précédentes techniques de visualisation ne montrent qu'une projection de la nanocouche (pointillés rouge) et ne fournissent pas d'information sur le taux de recouvrement en 3D. © CEA
Cette technique de visualisation peut dès lors être utilisée pour qualifier différents procédés de fabrication des assemblages membrane-électrodes des piles à combustible, et d'évaluer différents polymères... Ajoutées au champ prospectif de la modélisation du fonctionnement de ces électrodes, cette nouvelle technique de visualisation apportera une aide précieuse dans la R&D afin d'augmenter leurs performances tout en réduisant la quantité nécessaire de platine.
Schéma de l'ensemble électrode-membrane constituant les piles à combustibles © Laure Guétaz / CEA
Zoom sur la zone de contact entre la membrane et les particules de carbone. Cette zone (en rose) est constituée d'une nanocouche de polymère conducteur ionique, où les réactifs se retrouvent au contact de nanoparticules de platine (Pt) qui catalysent la réaction de production d'électricité. © Laure Guétaz / CEA
Ces travaux se sont appuyés sur la Plateforme de nanocaractérisation du CEA-Grenoble, ensemble de moyens de rang mondial, dont la finalité est d'observer et mesurer les propriétés ultimes de matériaux synthétisés dans des dispositifs à l'échelle du nanomètre.
Pour plus d'information voir:
Visualisation de la nanocouche de polymère en 3D