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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13244 (2023) Citer cet article

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Afin d’utiliser efficacement le glycérol comme carburant dans les piles à combustible au glycérol direct, un catalyseur capable de rompre la liaison C-C et d’améliorer l’électrooxydation du glycérol en CO2 est nécessaire. Dans cette étude particulière, un nanocomposite palladium-nickel-étain déposé électrolytiquement sur une électrode de carbone vitreux (PdNiSn/GC) a présenté une excellente activité d’électrooxydation du glycérol, grâce à l’effet synergique de la composition catalytique. La surface PdNiSn/GC a généré un courant de crête (Ip) 2,5 fois supérieur à celui obtenu sur une électrode Pd/GC, avec un décalage cathodique du potentiel d'apparition (Eonset) d'environ 300 mV. De plus, le courant obtenu à la surface PdNiSn/GC est resté stable pendant l’électrolyse continue. Des mesures de capacité ont été utilisées pour interpréter les résultats de l'activité électrocatalytique, et la chromatographie liquide à haute performance a indiqué que les produits de la réaction d'électrooxydation du glycérol étaient l'acide oxalique et l'acide formique, qui ont ensuite été oxydés en CO2, comme le révèlent les calculs de charge. . Les résultats montrent que la synergie entre Pd, β-Ni (OH) 2 et SnO2 est cruciale pour stimuler GEOR en améliorant le clivage de la liaison C – C et en oxydant complètement les intermédiaires de réaction en CO2.

L’expansion continue des activités commerciales et l’augmentation progressive de la croissance démographique ont directement accru la demande d’énergie et ont nécessité la recherche de ressources énergétiques alternatives aux combustibles fossiles. Parmi eux, l’utilisation efficace de combustibles chimiques dans les piles à combustible présente un grand potentiel pour contribuer à des systèmes énergétiques efficaces et à zéro émission de CO21.

Compte tenu des différents types de piles à combustible, les piles à combustible à membrane électrolytique polymère offrent de nombreux avantages par rapport aux autres types de piles à combustible, par exemple ; densité énergétique élevée, libération d'énergie rapide ; insensibilité au CO2 permettant l'utilisation de l'air comme oxydant et fonctionnant à des températures modérées (75-150 °C)2,3.

L'utilisation d'alcools, notamment de glycérol, dans la pile à combustible à alcool direct constitue une cible intéressante pour le combustible dans un tel schéma. La réaction d’électrooxydation du glycérol (GEOR) pourrait avoir lieu à la surface des électrocatalyseurs par l’oxydation de ses groupes hydroxyles afin de générer de l’énergie électrique4. De plus, GEOR produit une densité énergétique théorique élevée de 6 kWh kg−1, il est ininflammable et non volatil5, et a un faible taux de passage à travers la membrane par rapport au méthanol6. De plus, le GEOR sélectif pourrait produire des produits intermédiaires à valeur ajoutée. Ainsi, un autre aspect prometteur de GEOR est l’électrosynthèse de molécules à valeur ajoutée telles que ; acide glycérique, acide tartronique, mésoxalate et 1,3-dihydroxyacétone7,8,9.

Le glycérol est un produit courant de l'industrie du biodiesel qui produit environ des centaines de millions de kilogrammes de glycérol chaque année, ce qui en fait un carburant disponible et bon marché10,11,12,13. De plus, le glycérol est considéré comme une bonne source de production d’hydrogène14,15. La thermodynamique montre que la réaction d'électrooxydation du glycérol (GEOR) dans le compartiment anodique des DGFC est énergétiquement plus efficace que la réaction de dégagement d'oxygène (OER) dans la cellule d'électrolyse pour la production d'hydrogène9,10. GEOR a lieu dans le compartiment anodique des DGFC produisant des protons et du dioxyde de carbone tandis que les protons sont réduits dans le compartiment cathodique produisant de l'hydrogène, comme le montrent les équations. 1-311.

Cependant, l’oxydation efficace et complète du glycérol en CO2 dans les piles à combustible directes au glycérol (DGFC) reste un défi de taille car ce processus est un processus multiélectrons et multiprotons qui nécessite un clivage des liaisons C – C (défi majeur en électrocatalyse).

L'électrocatalyseur au platine a été considéré comme le catalyseur le plus efficace pour le DGFC en raison de sa forte activité16,17,18,19. Cependant, la production de l'intermédiaire CO toxique à sa surface pendant le schéma d'oxydation du glycérol ainsi que son coût élevé ont limité son utilisation16,20,21. Cela a motivé l'utilisation d'électrocatalyseurs alternatifs, par exemple Pd, Ag et Ni, afin d'améliorer les performances du DGFC. À cet égard, les électrocatalyseurs à base de Pd sont considérés comme un bon candidat pour le DGFC en raison de leurs avantages par rapport aux électrocatalyseurs à base de Pt16. Le Pd montre une meilleure activité envers l’oxydation des alcools en milieu alcalin que le Pt22,23,24,25. De plus, le risque d'empoisonnement de l'électrode par le monoxyde de carbone adsorbé (COads) en milieu alcalin est inférieur à celui du milieu acide, car les intermédiaires chimisorbés se lient faiblement à la surface du catalyseur et la quantité d'espèces toxiques est moindre en milieu alcalin26.