Des oxydes pérovskites hexagonaux prometteurs boostent les piles à combustible céramiques protoniques

ParisDes chercheurs de Tokyo Tech ont réalisé une avancée majeure dans la technologie des piles à combustible. Ils ont découvert que les oxydes apparentés aux pérovskites hexagonales, en particulier le Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ (où R représente un métal de terre rare), pourraient être des matériaux efficaces pour les piles à combustible céramiques protoniques (PCFCs). Cette découverte est prometteuse pour le développement de piles à combustible plus performantes.

• Excellente conductivité protonique
• Stabilité thermique remarquable
• Structure cristalline singulière
• Capacité complète d'hydratation
• Haute diffusion des protons

Les piles à combustible produisent de l'électricité en mélangeant de l'hydrogène et de l'oxygène, leurs seuls déchets étant de l'eau et de la chaleur. Elles se composent de trois éléments principaux : l'anode, la cathode et l'électrolyte. À l'anode, l'hydrogène se divise en protons (H⁺) et en électrons. Les protons traversent l'électrolyte pour atteindre la cathode, où ils se combinent avec l'oxygène pour former de l'eau.

La plupart des piles à combustible, appelées piles à combustible à oxyde solide (SOFC), utilisent des conducteurs d'ions oxyde et nécessitent des températures élevées pour fonctionner, ce qui peut user les matériaux avec le temps. Les chercheurs explorent les piles à combustible céramique protonique (PCFC) parce qu'elles peuvent fonctionner à des températures plus basses (200-500 °C). Cependant, il est difficile de trouver des matériaux qui présentent une bonne conductivité protonique et une stabilité à ces températures plus basses.

Des chercheurs de l'Institut de Technologie de Tokyo et de l'Université de Tohoku, sous la direction du Professeur Masatomo Yashima, ont découvert que les oxydes Ba₅R₂Al₂SnO₁₃ pourraient être de bons électrolytes. Ces oxydes montrent une conductivité protonique élevée, atteignant presque 0,01 S cm⁻¹ à environ 300 °C, ce qui est supérieur à d'autres matériaux similaires. Les métaux rares utilisés dans cette étude incluent Gd, Dy, Ho, Y, Er, Tm et Yb.

La forte conductivité des protons est due à la structure cristalline particulière du matériau. Celui-ci comporte des couches d'octaèdres et des couches pauvres en oxygène appelées A O₃-δ (h'). Lorsqu'on ajoute de l'eau, les espaces vides de ces couches se remplissent, formant des groupes hydroxyle (OH⁻) qui libèrent des protons (H⁺). Ces protons se déplacent ensuite à travers la structure, améliorant ainsi la conductivité.

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Les chercheurs ont synthétisé du BEAS par des réactions à l'état solide. Ce matériau possédait de nombreuses lacunes en oxygène (δ = 0,2) et pouvait s'hydrater entièrement en absorbant complètement l'eau. Dans un environnement de nitrogène humide à 356 °C, sa conductivité était 2 100 fois supérieure à celle observée dans un environnement de nitrogène sec. Une fois complètement hydraté, il présentait une conductivité de 0,01 S cm⁻¹ à 303 °C.

Les couches octaédriques facilitent le déplacement des protons, améliorant ainsi la conductivité protonique. Les simulations ont révélé que les protons dans ces couches parcouraient de longues distances, indiquant une grande rapidité de mouvement. Yashima souligne que BEAS possède une haute conductivité protonique grâce à un grand nombre de protons et un taux de diffusion élevé.

Le matériau demeure stable face aux produits chimiques aux températures utilisées lors des opérations de PCFC. Des tests effectués à 600 °C en présence de vapeur d'eau, d'oxygène, d'air, d'hydrogène et de CO₂ n'ont révélé aucun changement dans sa composition et sa structure. Cela signifie qu'il est robuste et peut être utilisé en continu sans se dégrader.

Yashima affirme que la forte conductivité des protons dans certains matériaux possédant de nombreuses lacunes en oxygène constitue une méthode prometteuse pour créer des conducteurs de protons efficaces à l'avenir.

Ce matériau pourrait rendre les piles à combustible plus performantes, durables et opérationnelles à des températures plus basses.