Composites made of carbon nanotubes and capped platinum nanoparticles for fuel cell electrodes

This work aims at the realisation and characterization of electrodes for fuel cells. We used a bottom-up approach that enabled to make liquid nanocomposite dispersions of preformed organically capped platinum nanoparticles (NP) deposited on carbon nanotubes (NT). This original process enables the control of the covering of the nanotubes by the nanoparticles over a wide range. Then, filtration of the dispersions on carbon felt gives fuel cell electrodes of various compositions (1-300 µg Pt/cm², 10-80 µm thickness). These electrodes were qualified ex situ thanks to relevant parameters. We used cyclic voltametry in the conditions where the electrodes are flooded by the electrolyte and we calculated these parameters for each electrode. Some differences in the values of the parameters between two methods of impregnation were observed. They revealed the importance of the modulations of the wettability of the active layers with the NP/NT mass ratio and the nature of the capping of the nanoparticles. This implies the possibility of making model electrodes which could enable the optimization of triple phase boundaries and therefore the utilization of the catalyst in the fuel cells. Fuel cell tests using our electrodes illustrate the possibility to reduce significantly the platinum surface densities in these devices.; Ce travail porte sur la réalisation et la caractérisation d'électrodes pour piles à combustible (PAC). L'approche bottom-up adoptée associe par voie liquide des nanoparticules de platine enrobées par des molécules (NP) et des nanotubes de carbone (NT) préformés afin d'obtenir une dispersion liquide de nanocomposite. Ce procédé permet de contrôler dans une large gamme la couverture des nanotubes de carbone par les nanoparticules de platine. Puis, par filtration sur feutre de carbone nous obtenons des électrodes de PAC avec des couches actives de compositions très diverses (1 à 300 g Pt/cm², épaisseurs de 10 à 80 µm). Nous avons ensuite qualifié ex situ ces électrodes à l'aide de paramètres pertinents dont l'un est directement associé à la réduction de l'oxygène. Nous avons utilisé la voltampérométrie cyclique dans les conditions où les électrodes sont imprégnées d'électrolyte et calculé ces paramètres pour chaque électrode. Des différences observées dans ces paramètres entre deux méthodes d'imprégnation des électrodes ont révélé l'importance des modulations de mouillabilité des couches actives avec le rapport massique NP/NT et la nature de l'enrobage des nanoparticules. Cela débouche sur la possibilité de réaliser des électrodes modèles permettant à terme d'optimiser la gestion des points triples et donc l'utilisation du catalyseur dans les électrodes de PAC. Des tests en pile avec nos électrodes illustrent ainsi la possibilité de diminuer à l'avenir de manière très significative les densités de platine dans les PAC.