Un nouvel oxychlorure présente une stabilité élevée et une conduction oxyde-ion à travers le site d’oxygène interstitiel

Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont une solution prometteuse au problème contemporain de la crise énergétique mondiale imminente. Les SOFC présentent une efficacité élevée, des émissions réduites et des coûts d’exploitation faibles, ce qui en fait une source d’énergie idéale pour une société sans combustibles fossiles.

Les SOFC conventionnelles avec des électrolytes de zircone stabilisée à l’yttria (YSZ) ont des températures de fonctionnement élevées (700 ° C à 1000 ° C), et leur adoption généralisée a été limitée par leurs problèmes de dégradation et leur coût élevé. Par conséquent, il est nécessaire de rechercher de nouveaux matériaux présentant des conductivités élevées et une stabilité à basse température (100°C à 300°C). Alors que certains matériaux contenant du bismuth (Bi) présentent des conductivités oxyde-ion élevées grâce au mécanisme conventionnel de diffusion des lacunes, ils ne sont pas très stables sous atmosphères réduites. Comme alternative, le mécanisme de migration interstitielle, impliquant le mouvement d’entraînement des ions d’oxyde interstitiel et de réseau, a attiré beaucoup d’attention. Cependant, ils sont rarement observés dans les matériaux contenant du Bi.

Une équipe de chercheurs japonais dirigée par le professeur Masatomo Yashima de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) s’est réunie pour trouver une solution à ces problèmes. Dans leur récente percée publiée dans Matériaux fonctionnels avancés, l’équipe a signalé un nouveau composé contenant du Bi, LaBi1.9Te0.1O4.05Cl, où les ions oxyde migrent via le mécanisme d’interstitiel. L’équipe a démontré que LaBi1.9Te0.1O4.05Cl présente à la fois une stabilité élevée et une conductivité oxyde-ion élevée qui est supérieure à celle des meilleurs conducteurs oxyde-ion même à basse température (inférieure à 201 °C).

Lorsqu’on lui a demandé comment l’équipe a pu découvrir LaBi1.9Te0.1O4.05Cl, le professeur Yashima explique : « La plupart des matériaux connus contenant du Bi présentent des conductivités oxyde-ion élevées via le mécanisme conventionnel de diffusion des lacunes. Le mécanisme alternatif, la diffusion interstitielle, est rare dans ces matériaux. Ainsi, nous avons spécifiquement recherché des matériaux contenant du Bi avec un site d’oxygène interstitiel qui pourrait permettre la diffusion interstitielle.

Le site d’oxygène interstitiel fait référence à l’espace vide dans une structure cristalline que les ions oxyde occupent partiellement. Le groupe du professeur Yashima a sélectionné un oxychlorure de Sillén contenant du Bi, LaBi2O4Cl, avec une triple couche de type fluorite pour assurer la présence de tels sites d’oxygène interstitiels. Ils ont ensuite partiellement remplacé le cation Bi3+ par un dopant à valence élevée, le cation tellure (Te) Te4+, dans la phase de Sillén LaBi2O4Cl pour augmenter la quantité d’atomes d’oxygène interstitiels (x/2) dans LaBi2–xTexO4+x/2Cl. La composition chimique, LaBi1.9Te0.1O4.05Cl (x = 0,1 dans LaBi1–xTexO4+x/2Cl), a ensuite été choisie pour des études expérimentales et informatiques détaillées puisque la conductivité apparente de LaBi1.9Te0.1O4.05Cl était la plus élevée parmi celles de toutes les autres compositions, soit LaBi2–xTexO4+x/2Cl (0 ≤ x ≤ 0,2).

L’équipe a découvert que LaBi1.9Te0.1O4.05Cl présente une stabilité chimique et électrique élevée à 400 ° C dans une large région de pression partielle d’oxygène comprise entre 10−25 et 0,2 atm, ainsi qu’une stabilité chimique élevée dans le CO2, H2 humide dans N2 , et de l’air avec une humidité naturelle. De plus, LaBi1.9Te0.1O4.05Cl a démontré une conductivité oxyde-ion élevée de 2,0 × 10−2 S cm−1 à 702°C. La conductivité apparente du matériau était significativement plus élevée que celle des meilleurs conducteurs oxyde-ion tels que Bi2V0.9Cu0.1O5.35 à des températures comprises entre 96°C et 201°C.

Pour élucider le mécanisme sous-jacent à la forte conduction oxyde-ion, l’équipe a réalisé des expériences de diffraction des neutrons, des simulations de dynamique moléculaire ab initio et des calculs DFT. Les résultats ont indiqué que la conduction oxyde-ion extrêmement élevée s’explique par une migration interstitielle des ions oxyde à travers le réseau et les sites interstitiels, ce qui est rare dans les matériaux contenant du Bi.

La découverte de la conductivité ionique élevée des oxydes ainsi que de la stabilité chimique et électrique élevée de LaBi1.9Te0.1O4.05Cl, et du mécanisme unique sous-jacent à la conductivité élevée ouvrira la porte à d’autres recherches sur les composés contenant du Bi et les phases de Sillén, et éventuellement à électrolytes SOFC hautes performances à basse température.

« Il y avait des études sur la photocatalyse et la luminescence des phases de Sillén dans la littérature de recherche. Dans notre étude, nous avons maintenant démontré que les oxychlorures contenant du Sillén Bi peuvent également agir comme des électrolytes prometteurs pour les SOFC et pourraient contribuer à la révolution des piles à combustible », conclut Professeur Yashima.