Nouveau conducteur de protons pour la prochaine

Apr 28, 2023

Des scientifiques de Tokyo Tech ont découvert Ba2LuAlO5 comme conducteur de protons prometteur pour les piles à combustible céramiques protoniques. L'oxyde présente des conductivités protoniques de 10−2 S cm−1 à 487 °C et de 1,5 × 10−3 S cm−1 à 232 °C, une diffusivité élevée et une stabilité chimique élevée sans dopage chimique. Ces nouvelles connaissances pourraient ouvrir la voie à des technologies énergétiques plus sûres et plus efficaces.

Un article en libre accès sur le travail est publié dans Communications Materials.

Ba2LuAlO5 est un oxyde apparenté à la pérovskite hexagonale avec des couches h′ hexagonales très appauvries en oxygène, qui permet une grande quantité d'absorption d'eau x = 0,50 dans Ba2LuAlO5·x H2O. Des simulations ab initio de dynamique moléculaire et de diffraction neutronique montrent l'hydratation dans la couche h' et la migration des protons principalement autour des couches cubiques compactes c existant à l'interface des couches octaédriques de LuO6. Ces résultats démontrent que la conduction protonique élevée permise par les couches très appauvries en oxygène et cubiques compactes est une stratégie prometteuse pour le développement de conducteurs protoniques performants.

Les piles à combustible typiques à base d'oxydes solides présentent un inconvénient notable en ce qu'elles fonctionnent à des températures élevées, généralement supérieures à 700 °C. C'est pourquoi de nombreux scientifiques se sont plutôt concentrés sur les piles à combustible céramiques protoniques (PCFC). Ces cellules utilisent des céramiques spéciales qui conduisent les protons (H+) au lieu des anions oxydes (O2−). Grâce à une température de fonctionnement beaucoup plus basse dans la plage de 300 à 600 °C, les PCFC peuvent assurer un approvisionnement énergétique stable à moindre coût, par rapport à la plupart des autres piles à combustible. Malheureusement, seuls quelques matériaux conducteurs protoniques aux performances raisonnables sont actuellement connus, ce qui ralentit les progrès dans ce domaine.

Pour relever ce défi, une équipe de chercheurs, dont le professeur Masatomo Yashima du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) au Japon, est à la recherche de bons candidats conducteurs de protons pour les PCFC.

Le professeur Yashima et ses collègues ont découvert Ba2LuAlO5 en se concentrant sur la recherche de composés présentant de nombreuses lacunes intrinsèques en oxygène. Cela a été motivé par les résultats d'études antérieures mettant en évidence l'importance de ces lacunes dans la conduction protonique.

Grâce à des simulations de dynamique moléculaire et à des mesures de diffraction des neutrons, ils ont appris deux caractéristiques importantes de Ba2LuAlO5. La première est que cet oxyde absorbe beaucoup d'eau (H2O), par rapport à d'autres matériaux similaires, pour former Ba2LuAlO5.0.5H2O. Cette importante absorption d'eau, qui se produit dans deux couches opposées de tétraèdres AlO4, est rendue possible par un nombre élevé de lacunes d'oxygène intrinsèques dans les couches compactes hexagonales de h´ BaO. À son tour, la teneur en eau plus élevée de l'oxyde augmente sa conductivité protonique par divers mécanismes, tels qu'une concentration de protons plus élevée et un saut de proton amélioré.

La deuxième caractéristique importante est liée à la façon dont les protons se déplacent à travers Ba2LuAlO5. Les simulations ont révélé que les protons diffusent principalement le long des interfaces des couches de LuO6, qui forment des couches cubiques compactes c BaO3, plutôt qu'à travers les couches d'AlO4. Cette information pourrait être critique dans la recherche d'autres matériaux conducteurs de protons.

Les chercheurs s'attendent à trouver d'autres matériaux conducteurs de protons à base de Ba2LuAlO5 dans des études à venir.

En modifiant la composition chimique de Ba2LuAlO5, de nouvelles améliorations de la conductivité protonique peuvent être attendues. Par exemple, l'oxyde lié à la pérovskite Ba2LuAlO5 peut également présenter une conductivité élevée car sa structure est assez similaire à celle de Ba2LuAlO5.

Ressources

Riho Morikawa, Taito Murakami, Kotaro Fujii, Maxim Avdeev, Yoichi Ikeda, Yusuke Nambu et Masatomo Yashima (2023) « High Proton Conduction in Ba2LuAlO5 with Highly Oxygen Deficient Layers » Documents de communication doi : 10.1038/s43246-023-00364-5

Publié le 07 juin 2023 dans Contexte du marché, Piles à combustible, Matériaux | Lien permanent | Commentaires (0)