Membrane de graphène : vers une nouvelle génération de piles à combustible ?

Dans la quête de la neutralité carbone, la technologie des piles à combustible directes au méthanol/acide formique suscite un intérêt croissant. Aussi, une nouvelle membrane d’échange de protons à base de graphène pourrait bouleverser ce domaine en améliorant l’efficacité et la durabilité des piles à combustible.

Le développement de la technologie des piles à combustible directes au méthanol/acide formique est en plein essor, car elle permet d’utiliser du méthanol ou de l’acide formique comme carburant électronique pour générer de l’électricité.

Les piles à combustible produisent de l’électricité par transfert de protons, mais les membranes d’échange de protons conventionnelles souffrent du «phénomène de croisement», où les molécules de carburant sont également transférées entre les anodes et les cathodes. Ce phénomène entraîne une oxydation inutile des molécules de carburant et une dégradation des électrodes.

Une nouvelle membrane d’échange de protons à base de graphène

Dans cette étude, les chercheurs de l’Université de Tsukuba ont développé une nouvelle membrane d’échange de protons composée de feuilles de graphène avec des trous de 5 à 10 nm de diamètre, modifiées chimiquement avec des groupes fonctionnels sulfaniliques conférant des groupes sulfo autour des trous.

Grâce à l’encombrement stérique créé par ces groupes fonctionnels, la membrane de graphène parvient à supprimer le phénomène de croisement en bloquant la pénétration des molécules de carburant tout en maintenant une conductivité protonique élevée.

Comparaison avec les membranes conventionnelles

Les approches conventionnelles pour inhiber la migration des molécules de carburant impliquaient d’augmenter l’épaisseur de la membrane ou d’intercaler des matériaux bidimensionnels, ce qui réduisait la conductivité protonique.

Dans cette étude, les chercheurs ont étudié des structures capables d’inhiber la migration des molécules de carburant grâce à la dragée électro-osmotique et à l’encombrement stérique. Ils ont constaté que la membrane de graphène fonctionnalisée au sulfanilique peut supprimer de manière significative la dégradation des électrodes par rapport aux membranes Nafion disponibles sur le marché, tout en maintenant la conductivité protonique nécessaire pour les piles à combustible.

Application pratique de la membrane de graphène

Par ailleurs, il suffit de coller la membrane de graphène sur une membrane d’échange de protons conventionnelle pour supprimer le phénomène de croisement. Ainsi, cette étude contribue au développement de piles à combustible avancées comme alternative aux piles à combustible à hydrogène.

En synthèse

La nouvelle membrane d’échange de protons à base de graphène développée par les chercheurs offre une solution prometteuse pour améliorer l’efficacité et la durabilité des piles à combustible directes au méthanol/acide formique. En supprimant le phénomène de croisement et en maintenant une conductivité protonique élevée, cette membrane pourrait contribuer à l’avancement des technologies de piles à combustible et à la réalisation de la neutralité carbone.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le phénomène de croisement ?

Le phénomène de croisement (crossover) se produit lorsque les molécules de carburant sont transférées entre les anodes et les cathodes d’une pile à combustible, entraînant une oxydation inutile des molécules de carburant et une dégradation des électrodes.

Comment la membrane de graphène supprime-t-elle le phénomène de croisement ?

La membrane de graphène est modifiée chimiquement avec des groupes fonctionnels sulfaniliques qui créent un encombrement stérique, bloquant ainsi la pénétration des molécules de carburant tout en maintenant une conductivité protonique élevée.

Quels sont les avantages de la membrane de graphène ?

La membrane de graphène fonctionnalisée au sulfanilique supprime de manière significative la dégradation des électrodes par rapport aux membranes Nafion disponibles sur le marché, tout en maintenant la conductivité protonique nécessaire pour les piles à combustible.

Comment appliquer la membrane de graphène dans les piles à combustible existantes

Il suffit de coller la membrane de graphène sur une membrane d’échange de protons conventionnelle pour supprimer le phénomène de croisement et améliorer l’efficacité de la pile à combustible.

Quelle est l’importance de cette découverte pour la neutralité carbone ?

Cette membrane de graphène pourrait contribuer au développement de piles à combustible avancées et plus efficaces, favorisant ainsi la réalisation de la neutralité carbone en offrant des alternatives aux technologies énergétiques traditionnelles.

Article : « Suppression of Methanol and Formate Crossover through Sulfanilic-functionalized Holey Graphene as Proton Exchange Membranes » – DOi: 10.1002/advs.202304082

Légende illustration principale : Caractérisations morphologiques du graphène troué fonctionnalisé à la sulfanilique ; microscopie électronique à transmission – Crédit : University of Tsukuba