Vers des applications énergétiques durables avec une percée dans les conducteurs de protons

Le dopage par donneur dans un matériau mère présentant des lacunes en oxygène intrinsèques désordonnées, au lieu de la stratégie largement utilisée de dopage par accepteur dans un matériau sans lacunes en oxygène, peut grandement améliorer la conductivité et la stabilité des conducteurs protoniques de type pérovskite à des températures intermédiaires et basses de 250 à 400 °C. °C, comme l’ont démontré les scientifiques de Tokyo Tech (par exemple 10 mS/cm à 320°C). Cette approche innovante fournit une nouvelle orientation de conception pour les conducteurs de protons destinés aux piles à combustible et aux cellules d’électrolyse.

De nombreux pays dans le monde font pression pour le développement de technologies énergétiques durables. À cet égard, les cellules à combustible/électrolyse en céramique protonique (ou conductrices de protons) (PCFC/PCEC) sont un concurrent sérieux.

Ces dispositifs peuvent convertir directement l’énergie chimique en électricité et vice versa sans émissions à des températures basses ou intermédiaires, ce qui en fait une option attrayante pour de nombreuses applications émergentes telles que les sources d’énergie distribuées de nouvelle génération. De plus, contrairement à d’autres types de piles à combustible et d’électrolyseurs, les PCFC/PCEC ne nécessitent pas de catalyseurs en métaux précieux ni d’alliages coûteux et résistants à la chaleur.

Cependant, aucun conducteur protonique présentant à la fois une conductivité élevée et une stabilité élevée à des températures intermédiaires et basses de 250 à 400 °C n’a été signalé. Ce problème est connu sous le nom de « trou de Norby » et les scientifiques recherchent depuis de nombreuses années des matériaux capables de le résoudre.

Dans ce contexte, le professeur Masatomo Yashima et M. Kei Saito de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, ont proposé une nouvelle stratégie qui pourrait révolutionner la conception et le développement de conducteurs de protons. Leurs conclusions sont publiées dans Communications naturelles.

Les chercheurs se sont attaqués à l’un des principaux inconvénients des conducteurs protoniques de pointe de type pérovskite. Ces matériaux ont la formule A²⁺B⁴⁺Ô₃où A et B sont respectivement des cations plus grands et plus petits.

Une stratégie générale pour améliorer la conductivité protonique dans de telles pérovskites consiste à introduire un dopant accepteur ; c’est-à-dire un cation M³⁺ avec une valence inférieure à celle de B⁴⁺. Ces « impuretés » créent des lacunes en oxygène dans le réseau cristallin résultant, ce qui, à son tour, augmente la conductivité protonique. Cependant, cette approche crée également un problème connu sous le nom de « piégeage des protons », dans lequel les protons sont piégés par le dopant accepteur M.³⁺qui a une charge négative effective par rapport au cation hôte B⁴⁺en raison de l’attraction électrostatique.

Pour éviter ce problème, les chercheurs se sont tournés vers BaScO_2.5. Cette pérovskite présente des lacunes intrinsèques (ou inhérentes) en oxygène dans sa structure cristalline, ce qui permet le dopage par donneur. L’équipe a dopé le dopant donneur Mo⁶⁺ en BaScO_2.5 produire du BaSc_0,8Mo_0,2Ô_2.8 (ou “BSM20”).

“Contrairement à l’approche conventionnelle de dopage par accepteur, le dopage par donneur peut réduire l’effet de piégeage des protons grâce à la répulsion électrostatique entre les protons et le Mo donneur.⁶⁺ cations, qui ont une valence plus élevée que le cation hôte Sc³⁺“, explique le professeur Yashima. ” Cela conduit à son tour à une conduction protonique élevée. ”

Après une série d’expériences et d’analyses théoriques utilisant des techniques de simulation avancées, les chercheurs ont démontré que BSM20 offrait effectivement une conductivité protonique exceptionnellement élevée à des températures intermédiaires et basses dans la trouée de Norby. De plus, le dopage par donneur a contribué à stabiliser une structure cubique de type pérovskite, permettant une conduction protonique tridimensionnelle efficace dans tout le matériau. Notamment, le BSM20 a également présenté une stabilité remarquablement élevée dans des atmosphères oxydantes, réductrices et de dioxyde de carbone, une propriété essentielle pour de nombreuses applications pratiques.

Dans l’ensemble, les résultats de cette étude pourraient ouvrir la voie à de nouveaux conducteurs de protons pour les PCFC/PCEC dotés de performances sans précédent. “Les stratégies proposées et la découverte de BSM20 pourraient avoir un impact significatif sur les sciences et technologies énergétiques et environnementales”, conclut le professeur Yashima.