Énergie et environnement

+efficace +écologique +rentable

Une pile à combustible à électrolyte polymère est une source de puissance électrique propre et efficace qui pourrait, dans un avenir proche, être utilisée dans le domaine de l’automobile. L’utilisation du platine et de ses alliages comme catalyseurs dans ces nouveaux types de piles compromet cependant leur déploiement à grande échelle, compte tenu du coût de ces matériaux.

Les travaux entrepris dans le cadre de ce projet démontrent qu’un catalyseur non-noble à base de fer, un métal très commun, pourrait remplacer le platine. Ainsi, après avoir démontré au cours d’une première percée que l’activité catalytique de ce type de catalyseur rivalisait celle du platine  [1], une seconde percée significative a été récemment réalisée [2]. Une fois intégré à une pile à combustible, ce catalyseur est capable de fournir une puissance électrique comparable à celle que peut fournir le platine à un voltage d’intérêt pour l’utilisation dans le domaine de la propulsion automobile.

Avant d’obtenir un produit pleinement commercialisable, le dernier problème à résoudre  est la durabilité à long terme du catalyseur qui doit être d’au moins 5000 heures afin de répondre aux cibles déterminées par le US DOE (US Department of Energy ). Les recherches sont en cours afin de trouver une solution au manque actuel de durabilité.

Références

[1] M. Lefèvre, E. Proietti, F. Jaouen, J.-P. Dodelet, Science, 324, 71-74 (2009)
[2] E. Proietti, F. Jaouen, M. Lefèvre, N. Larouche, J. Tian, J. Herranz, J.-P. Dodelet, Nature Communications, 2, 416 (2011)

Chercheurs impliqués

Pr. J.-P. Dodelet et M. Lefèvre (INRS)

Entreprise impliquée

Canétique Électrocatalyse

La contribution IRDQ

• Spectroscopie de photoélectrons X (XPS)
• Microscopie électronique en transmission MET (TEM)
• Diffractomètre rayons X (DRX)
• Microscopie électronique à balayage MEB (SEM)

+efficace +rentable +écologique

Exploiter l’énergie solaire est une des alternatives les plus prometteuses aux énergies fossiles.  Le défi réside dans la conception de piles ayant un rendement suffisant pour que cette solution soit économiquement viable. L’une des stratégies les plus prometteuses – la pile de Grätzel – est basée sur la génération d’un courant suivant l’excitation d’un colorant adsorbé sur des nanoparticules de TiO₂, dans lesquelles sont injectés les électrons qui sont ensuite transférées dans un circuit extérieur.  Cette élégante stratégie doit toutefois subir des modifications au niveau des matériaux afin de rendre la pile Grätzel plus attrayante, notamment lorsque les applications visées exigent la fabrication de piles de grande surface. Par exemple :

1. l’électrolyte utilisé est à base d’ions I- et I₃-, dont le mélange en grande concentration est très coloré et corrosif pour le matériau de cathode ainsi que pour les contacts électriques à base d’argent ;
2. le catalyseur cathodique est à base de platine qui est un métal  dispendieux.

L’équipe du Pr. Marsan a mis au point un électrolyte organique efficace, transparent et noncorrosif. D’autre part, l’électrode de platine a été substitué par un matériau moins dispendieux, plus stable et très performant : le sulfure de cobalt.

Cette découverte, de par son énorme potentiel, a été reconnue comme l’une des 10 plus importantes de l’année 2010 au Québec et publiée dans la prestigieuse revue Nature Chemistry.

Référence

[1] M. Wang, N. Chamberland, L. Breau, J.-E. Moser, R. Humphry-Baker, B. Marsan, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, Nature Chemistry, 2, 385-389 (2010)

Chercheurs impliqués

Pr. B. Marsan et Pr. L. Breau (UQAM)

La contribution IRDQ

• Caractérisation électrochimique
• Chromatographie à phase liquide
• Résonance magnétique nucléaire (RMN)

+rentable +performant +résistant

Actuellement, les cellules solaires sont à base de semi-conducteurs inorganiques qui ont un rendement intéressant, mais sont chers à fabriquer et peu versatiles. Les cellules polymères sont quant à elles : peu coûteuses à fabriquer, plus légères, moins fragiles et potentiellement flexibles. Elles sont donc une alternative des plus prometteuses aux énergies fossiles.

Le défi est d’augmenter la durée de vie de ces cellules, c’est-à-dire maintenir leurs propriétés durant leur cycle de vie pour leur assurer un avenir industriel. Deux facteurs primordiaux vont permettre d’atteindre ce but : l’utilisation de composants du couple donneur-accepteur de haute pureté et la maitrise de la structuration résultant du procédé de fabrication.

La compagnie Solaris Chem Inc. et le Pr. Wuest ont associés leurs savoir-faire afin de développer cette nouvelle génération de cellules. Le Pr. L'Espérance a apporté son expertise afin de caractériser les cellules. Les travaux ont permis:

1. la production de haute pureté des couple donneurs-accepteurs formants la cellule (polymères π-conducteurs et dérivés de fullerènes);
2. la mise en œuvre de ces polymères;
3. la caractérisation des structures résultantes et les implications sur l’efficacité.

Les travaux sont en cours pour développer l’énergie de demain.

Chercheurs impliqués

Pr. G. L'Espérance (École Polytechnique), P.-L. Brunner et Pr. J.D. Wuest (Université de Montréal)

Compagnie impliquée

Solaris Chem Inc.

La contribution IRDQ

• Faisceau d'ions focalisé (FIB)
• Microscopie électronique à balayage MEB (SEM)
• Microscopie électronique en transmission MET (TEM)

+écologique  +performant

L'équipe de recherche du professeur Marcotte a développé, en collaboration avec le professeur Christian Pellerin, des matériaux à base de protéines extraites des fils d’ancrage – appelés byssus - de la moule bleue. Ce sont les premiers à avoir développé ce type de biomatériaux. Ils ont réussi à mettre en solution les filaments de byssus et à former des films dont les propriétés mécaniques dépendent du pH.

Ces travaux ouvrent la voie au développement de matériaux qui pourraient être commercialisables. On peut penser à l’ingénierie de tissus mous comme les tendons, ou la livraison de médicaments. De plus, ces matériaux valorisent une fibre considérée comme déchet de l'aquaculture, ce qui pourrait avoir un impact socio-économique important pour les régions côtières et des répercussions positives pour l'environnement.

Références

[1] F Byette, C Pellerin, I Marcotte, J. Mater. Chem. B 2, 6378 – 6386, 2014

Chercheurs impliqués

Pr. Marcotte (UQAM) et Pr. Pellerin (Université de Montréal)

+small +structured +efficient

Au cours des dernières années, les diodes électroluminescentes (DEL) sans phosphore et à nanofils de nitrures du groupe III ont fait l’objet d’études intensives en tant que candidates prometteuses pour les applications d’éclairage à semi-conducteurs et d’affichage couleur haute résolution. Comparativement aux DEL traditionnelles à puits quantique, les dispositifs à nanofils offrent plusieurs avantages potentiels, notamment une réduction spectaculaire des dislocations et des champs de polarisation, une tenabilité de l’émission variable des longueurs d’onde et une baisse d’efficacité négligeable par rapport aux courants d’injection élevés. Jusqu’à présent, cependant, de tels dispositifs à nanofils ne fournissent généralement qu’une très faible puissance de sortie.

Le professeur Mi et son équipe ont démontré que la cause sous-jacente de la faible puissance de sortie des DEL à nanofils est directement liée à la piètre efficacité d’injection du porteur de charges, due à la recombinaison de surface. Son équipe a poussé plus loin le développement de DEL sans phosphore comportant des nanoparticules de InGaN/GaN/AlGaN, produites sur un substrat de Si au moyen d’un procédé d’épitaxie par faisceau moléculaire et enveloppées dans une gaine, émettant de la lumière blanche et pouvant forcer le goulot d’étranglement du porteur de charges, ce qui améliore grandement la puissance de sortie. À la température ambiante, ces dispositifs peuvent fournir une puissance de sortie d’environ 5 mW, soit au moins deux ordres de grandeur de plus que les DEL qui ne comportent pas de gaine-enveloppe. En outre, de tels diodes sans phosphore émettrices de lumière blanche peuvent rendre les couleurs de façon exceptionnelle, avec un indice de ∼ 92−98, à la fois dans les zones de blanc chaud et de blanc froid, ce qui correspond à une capacité de rendu des couleurs proche de celle d’une source idéale de lumière, à savoir un corps noir.

Référence

[1] Hieu Pham Trung Nguyen , Shaofei Zhang , Ashfiqua T. Connie , Md Golam Kibria , Qi Wang , Ishiang Shih , and Zetian Mi, Nano Letter, 13 (11), 5437-5442 (2013)

Chercheur impliqué

Prof. Zetian Mi (McGill University)

La contribution IRDQ

• Microscopie électronique en transmission MET (TEM)

+profitable +efficace +écologique

Les semi-conducteurs moléculaires sont en train de révolutionner la technologie et de remplacer les matériaux durs classiques actuellement utilisés dans des dispositifs tels que les cellules solaires. Le Québec compte des leaders internationaux en électronique moléculaire. Le groupe Perepichka a corrélé les principales propriétés électriques (telles que la mobilité des charges) avec la structure moléculaire sous-jacente et l’agencement à l’état solide. Cela a mené au développement de semi-conducteurs offrant une performance inégalée dans les transistors à effet de lumière, et le groupe a poussé plus loin cette approche en montrant la route à suivre en ingénierie des cristaux pour mettre au point des matériaux moléculaires à utiliser dans les cellules solaires. Dans l’industrie, les groupes Hanan et Skene collaborent avec St-Jean Photochimie pour découvrir des colorants novateurs à utiliser dans les cellules solaires. Les cellules solaires, tout comme d’autres dispositifs utilisant les couches minces des matériaux moléculaires, présentent des caractéristiques attrayantes, notamment la flexibilité et le bas coût de la fabrication à grande échelle, mais leur efficacité demeure faible. L’un des objectifs principaux du groupe Wuest est d’apprendre à optimiser l’organisation nanométrique des composants moléculaires et à faire en sorte que leur structure demeure essentiellement inchangée durant le fonctionnement des dispositifs. Faire des progrès dans ce domaine exige de fortes compétences en conception et synthèse moléculaires, ainsi qu’une connaissance approfondie des interactions moléculaires.

Chercheurs impliqués

Prof. Dmitrii F. Perepichka (McGill University), Prof. Garry S. Hanan (Université de Montréal), Prof. William Skene (Université de Montréal), and Prof. James D. Wuest (Université de Montréal)

Entreprise impliquée

Xerox, Solaris Chem, St-Jean Photochimie

contribution IRDQ

• Diffractomètre rayons X (DRX)

+écologique +performant

Le groupe de recherche du Professeur F.-G. Fontaine et collaborateur de Toulouse ont découvert un nouveau catalyseur qui permet de convertir efficacement le CO2 généré comme déchet industriel en méthanol. Ce produit d’intérêt est couramment employé comme additif dans les carburants. Rappelons que selon l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE), il y a un urgent besoin de développer des technologies vertes qui consomment le dioxyde de carbone (CO2) afin de stabiliser la concentration atmosphérique en CO2 à une concentration critique pour l’humanité d’environ 550 ppm. Ce nouveau catalyseur possède plusieurs caractéristiques intéressantes qui le distinguent par rapport aux autres catalyseurs déjà publiés. Par ailleurs, ce nouveau système catalytique est si performant qu’il détrône ainsi le meilleur catalyseur rapporté dans la littérature jusqu’à présent dans cette catégorie.

Références

[1] Courtemanche, M.-A., Légaré, M.-A., Maron, L., Fontaine, F.-G., J. Am. Chem. Soc., 135, 9326 (2013).

Chercheurs impliqués

Professeur Frédéric-Georges Fontaine (Université Laval) et Professeur Laurent Maron (Université de Toulouse)