Les dispositifs électrochimiques tels que les piles à combustible deviennent indispensables pour les nouvelles technologies de production d’énergie car ils peuvent produire efficacement de l’énergie renouvelable. Les conducteurs de protons en céramique peuvent être utilisés dans de nombreuses applications, notamment les piles à combustible en céramique protonique (PCFC), les pompes à hydrogène, les capteurs et les membranes de séparation. En particulier, les PCFC à base de conducteurs de protons en céramique sont prometteurs, car ils peuvent fonctionner à des températures plus basses que les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) conventionnelles, grâce à la conductivité plus élevée des protons à basse température.
Cependant, les conducteurs de protons en céramique conventionnels sont confrontés à un problème : afin de présenter une conductivité protonique adéquate, ils doivent avoir des lacunes d’oxygène qui permettent l’incorporation d’eau. Dans la plupart des cas, les postes vacants sont créés par substitution chimique, ce qui est souvent un processus difficile.
Maintenant, un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Masatomo Yashima du département de chimie de Tokyo Tech a plutôt exploré les oxydes hexagonaux liés à la pérovskite conducteurs de protons. La structure cristalline de ces oxydes contient des couches intrinsèquement déficientes en oxygène, ce qui permet une conductivité protonique élevée sans substitution chimique. Cependant, leur mécanisme de conduction reste incertain.
Pour faire la lumière sur cela, le groupe de recherche dirigé par le professeur Yashima a récemment analysé et comparé trois types d’oxydes : β-Ba2ScAlO5, α-Ba2Sc0.83Al1.17O5 et BaAl2O4. Les couches déficientes en oxyde de ces trois oxydes ont des motifs d’empilement différents. L’équipe a découvert que si le β-Ba2ScAlO5 présentait une conductivité protonique élevée, les α-Ba2Sc0.83Al1.17O5 et BaAl2O4 structurellement apparentés avaient des conductivités beaucoup plus faibles.
Les résultats du groupe ont été publiés dans Matériaux fonctionnels avancés.
Le professeur Yashima explique brièvement la structure cristalline du β-Ba2ScAlO5 : « Il est constitué de couches doubles octaédriques séparées par des couches doubles tétraédriques. Ces dernières ont des couches hexagonales de BaO (h’) qui sont intrinsèquement déficientes en oxygène. Leurs rôles dans la conduction protonique ont été exploré par diverses méthodes. »
Tout d’abord, les chercheurs ont découvert que la conductivité ionique du β-Ba2ScAlO5 était plusieurs fois (ex. 31 fois) plus élevée dans des conditions humides que dans de l’air sec. Cela était dû au fait que le matériau absorbait l’eau de l’air humide, entraînant des concentrations de protons et une conductivité plus élevées. La conductivité protonique s’est avérée aussi élevée que 10−3 S cm‒1 au-dessus de 300 °C, une valeur comparable à celle des conducteurs conventionnels chimiquement substitués.
Les calculs de la théorie fonctionnelle de l’énergie et de la densité basés sur la valence des liaisons ont révélé que cette absorption d’eau se produit dans les couches h’ de l’oxyde. De plus, des simulations de dynamique moléculaire ab initio ont montré que ces couches agissent comme des réservoirs, fournissant des protons qui migrent par diffusion à longue distance dans les couches à double octaèdre. Ce phénomène conduit à la conductivité protonique élevée du β-Ba2ScAlO5.
En revanche, BaAl2O4 a affiché une conduction beaucoup plus faible en raison d’une moindre absorption d’eau, d’une faible mobilité des protons et de l’absence de couches octaédriques. Ces observations valident davantage les rôles importants des couches octaédriques et déficientes en oxygène dans la conduction protonique.
« L’étude est un excellent exemple de la résolution de problèmes de recherche complexes par la collaboration et met en valeur les capacités et l’expertise de l’ANSTO en matière de diffusion de neutrons et de calcul scientifique. Le diffractomètre Echidna du réacteur OPAL a été utilisé pour élucider la structure cristalline et les simulations de dynamique moléculaire également réalisées à l’ANSTO. sur le mécanisme de conductivité protonique », a déclaré le professeur Max Avdeev de l’ANSTO.
Le professeur Yashima discute du potentiel futur des travaux de l’équipe : « Nos résultats offrent une stratégie pour concevoir des oxydes hexagonaux supérieurs liés à la pérovskite avec des couches octaédriques et des couches intrinsèquement déficientes en oxygène. La combinaison de ces couches avec différents rôles peut produire des conducteurs de protons supérieurs pour les énergies renouvelables. dispositifs de production et de stockage.
Plus d’information:
Taito Murakami et al, Conductivité protonique élevée dans β‐Ba 2 ScAlO 5 activée par des couches octaédriques et intrinsèquement déficientes en oxygène, Matériaux fonctionnels avancés (2022). DOI : 10.1002/adfm.202206777