L’essor de l’IA exerce une pression sans précédent sur le réseau électrique américain. D’ici 2030, les centres de données pourraient représenter près de 12 % de la consommation d’énergie du pays, et les experts avertissent que leur demande croissante dépasse la croissance de l’offre énergétique, mettant en péril la fiabilité du réseau et augmentant les coûts pour les abonnés.
Pour remédier à ce problème, les entreprises technologiques explorent des moyens d’alimenter leurs centres de données en énergie de façon autonome, plutôt que de dépendre entièrement du réseau. L’une des options envisagées est l’utilisation de piles à combustible à hydrogène sur site. Ces générateurs d’énergie propres mêlent hydrogène et oxygène pour produire de l’électricité, en s’appuyant sur un catalyseur pour accélérer la réaction, réduire les pertes d’énergie, améliorer les performances globales et prolonger la durée de vie opérationnelle de la pile. Le problème, c’est que les catalyseurs actuels manquent d’activité et de durabilité nécessaires pour atteindre les objectifs de performance des centres de données.
Dans une étude publiée le 6 août, les chercheurs présentent une approche innovante conçue pour surmonter ces limites. Elle pourrait étendre l’utilisation des piles à hydrogène non seulement pour les centres de données, mais aussi pour d’autres technologies à forte intensité énergétique.
Le problème du platine
Le platine est considéré comme l’un des catalyseurs les plus efficaces, mais en raison de son coût élevé, les fabricants de piles à combustible veulent en utiliser le moins possible sans sacrifier les performances catalytiques. L’une des méthodes pour y parvenir consiste à réduire le platine massif en nanoparticules minuscules, ce qui augmente grandement la surface exposée aux molécules réactives.
Cela permet aux fabricants d’utiliser des quantités très faibles de platine, mais cela s’accompagne d’un compromis. Les nanoparticules peuvent se dissoudre, migrer et croître au cours du fonctionnement de la pile, ce qui diminue progressivement les performances.
Des catalyseurs inter-métalliques à base de platine, qui associent le platine à un autre métal (comme le cobalt) dans une structure atomique ordonnée, ont montré des promesses pour améliorer l’activité et la stabilité des catalyseurs dans les piles à hydrogène. Cependant, pour optimiser l’utilisation du platine et garder les nanoparticules petites et bien dispersées, les fabricants doivent les synthétiser à des températures inférieures à 1 300 degrés Fahrenheit (700 degrés Celsius).
Cela présente encore un autre défi. Ces températures sont souvent trop basses pour favoriser la transition d’une disposition atomique désordonnée à une structure fortement ordonnée, qui est cruciale pour maximiser l’activité et la durabilité du catalyseur.
Une solution à base de nanostructures carbonées
Des chercheurs dirigés par Gang Wu, professeur titulaire en génie chimique à l’Université de Washington, estiment avoir trouvé une solution. Ils ont développé une nanostructure carbonée qui agit comme une ossature, permettant de maintenir un grand nombre de nanoparticules inter-métalliques platine-cobalt fortement empaquetées mais également uniformément réparties. Elle permet aussi d’obtenir une structure inter-métallique ordonnée à des températures nettement plus élevées sans que les nanoparticules ne s’agglomèrent.
« Grâce à ce support carboné nanostructuré particulier, nous avons pu chauffer le catalyseur platine-cobalt à 1 830 °F (1 000 °C), ce qui est suffisamment élevé pour former une structure très ordonnée tout en conservant des nanoparticules inférieures à 5 nanomètres et bien réparties, même avec une teneur élevée en platine, telle que privilégiée par l’industrie dans les catalyseurs », a déclaré Wu dans un communiqué.
En plus de stabiliser les nanoparticules, cette nanostructure carbonée facilite la circulation des protons, de l’oxygène et de l’eau au travers de l’électrode, selon Wu. « Par conséquent, les nanoparticules platine-cobalt intégrées dans ce support ont démontré une performance de référence et une durabilité remarquable », a-t-il ajouté.
Des essais ont montré que cette nanostructure carbonée conservait 85 % de ses performances après 150 000 cycles de tension, ce qui équivaut probablement à environ 25 000 heures de fonctionnement.
Wu a déposé un brevet sur cette technologie auprès du Bureau de gestion de la technologie de WashU. Il espère que, grâce à un développement ultérieur et à une collaboration avec des partenaires industriels, son équipe pourra surmonter les défis restants pour optimiser les catalyseurs de piles à combustible et aider cette technologie à devenir une source d’énergie plus pratique pour les centres de données.
