Les membranes échangeuses d’ions sont nécessaires dans les (photo)électrolyseurs, les piles à combustible et les batteries pour séparer les ions et permettre les processus souhaités. Les membranes polymères telles que les composés produits synthétiquement comme NAFION sont particulièrement efficaces, mais elles ne peuvent pas être dégradées. L’interdiction de l’utilisation de ces « produits chimiques éternels » est actuellement en discussion au sein de l’Union européenne, et le développement d’alternatives adaptées sera un enjeu majeur. Il est donc crucial de comprendre pourquoi NAFION et d’autres membranes polymères établies fonctionnent si bien.
Une équipe dirigée par le Dr Marco Favaro de l’Institut HZB pour les combustibles solaires a maintenant étudié cela en utilisant un type spécial de cellule d’électrolyse. Ici, la membrane repose sur la paroi extérieure et est en contact à la fois avec l’électrolyte liquide et un environnement extérieur gazeux. Il peut agir soit comme une anode soit comme une cathode, selon la polarité du potentiel appliqué.
Cet électrolyseur hybride liquide-gaz est considéré comme particulièrement favorable à la conversion électrochimique du CO2 grâce aux concentrations plus élevées de CO2 pouvant être atteintes en phase gazeuse, surmontant ainsi la faible solubilité du CO2 dans les solutions aqueuses.
Pour l’étude, Favaro et son équipe ont utilisé des membranes échangeuses d’ions disponibles dans le commerce en contact avec un électrolyte modèle comme le chlorure de sodium (NaCl) dans l’eau. De la vapeur d’eau a été introduite dans la phase gazeuse, avec une pression partielle d’eau proche de sa pression de vapeur à température ambiante. Pour analyser la migration des ions sodium et chlorure à travers la membrane, ils ont utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X durs à pression ambiante in situ (AP-HAXPES) à la station terminale SpAnTeX de la ligne de lumière KMC-1 de BESSY II.
« En effet, nous nous attendions à ce que la dynamique des ions soit déterminée, sous les potentiels appliqués, par les champs électriques générés entre l’anode et la cathode de l’électrolyseur, et que l’électromigration soit donc le principal moteur », explique Marco Favaro.
Cependant, l’analyse des données a montré le contraire : l’électromigration ne joue guère de rôle ; les ions diffusent simplement à travers la membrane. Les données pourraient être parfaitement simulées numériquement avec un modèle de diffusion. « Notre conclusion est que les ions se déplacent à travers les membranes polymères dans ces types d’électrolyseurs en raison du saut médié par les groupes fonctionnels ionisés présents dans les membranes. De plus, puisque l’eau se diffuse également à travers le polymère, les ions sont également » entraînés « . « , explique Favaro.
Ces résultats sont passionnants pour un certain nombre de raisons : Ces types d’électrolyseurs sont un moyen de convertir le CO2 en produits chimiques précieux qui ne peuvent autrement être obtenus qu’à partir de combustibles fossiles. Comprendre le fonctionnement de ces appareils aide à décarboner l’économie. D’autre part, les membranes échangeuses d’ions qui sont un élément clé de ces cellules sont elles-mêmes problématiques : l’Union européenne pourrait bientôt interdire l’utilisation de produits chimiques persistants.
Comprendre les moteurs pertinents de ces processus de transport aidera à développer de nouveaux matériaux membranaires à la fois efficaces, durables et respectueux de l’environnement. Favaro a maintenant l’intention de faire avancer ce projet à HIPOLE, le nouvel institut Helmholtz à Iéna, qui se concentrera sur les matériaux polymères pour les nouvelles technologies énergétiques.
Le document est publié dans le Journal de chimie des matériaux A.
Plus d’information:
Maryline Ralaiarisoa et al, Une enquête in situ sur les membranes échangeuses d’ions révèle que le transfert d’ions dans les électrolyseurs hybrides liquide / gaz est médié par la diffusion et non par l’électromigration, Journal de chimie des matériaux A (2023). DOI : 10.1039/D3TA02050A