L'hydrogène est un vecteur énergétique durable. L'hydrogène «vert», produit à partir d'énergie renouvelable, peut être utilisé comme stockage d'énergie et carburant. Pour rendre sa production et son utilisation plus efficaces, durables et économiques, de nouveaux matériaux sont nécessaires. Ainsi, les membranes utilisées dans les piles à combustible et les électrolyseurs sont principalement responsables de l'efficacité de ces appareils. Ces membranes sont souvent fabriquées à partir de céramiques spéciales.
La relation exacte entre le comportement des ions hydrogène – les protons – dans les membranes céramiques et leur structure matérielle n'est pas encore entièrement comprise. Dans un projet financé par le Fonds national suisse (FNS), les chercheurs d'Empa, sous la direction d'Artur Braun, chef de groupe au laboratoire de céramiques haute performance, veulent explorer cette question avec des partenaires de recherche internationaux.
Braun et son équipe travaillent depuis 20 ans sur les conducteurs protoniques céramiques. Les bons conducteurs protoniques doivent remplir deux exigences principales : ils doivent absorber le plus de protons possible, et les protons doivent pouvoir se déplacer librement dans le matériau. Cependant, ces deux propriétés se contredisent généralement : en optimisant l'une, on détériore souvent l'autre.
"On peut imaginer la membrane céramique comme un paysage traversé par des routes. Les protons se déplacent sur ces routes comme des voitures", compare Braun. Plus il y a de voitures sur les routes, plus la circulation ralentit. "Une autoroute à plusieurs voies pour protons, où les charges circulent librement dans les deux sens, est un scénario idéal", explique-t-il. Cependant, les membranes protoniques actuelles ressemblent plutôt à un terrain accidenté que les protons traversent avec difficulté sur de minces sentiers.
À l'inverse des paysages familiers, les réseaux cristallins des membranes céramiques sont dynamiques – en d'autres termes, changeants. Dans un travail précédent, l’équipe de Braun a montré que la conductivité protonique dans les céramiques bien conductrices n'est pas toujours constante, mais atteint parfois des valeurs maximales. "C'est comme si les montagnes et les vallées s'uniformisaient tout à coup. Les protons bénéficient d'un moment de passage libre", explique Braun. L'équipe d'Empa a également démontré que le transport de protons dans les conducteurs céramiques est étroitement lié aux vibrations du réseau cristallin – et que les protons intégrés dans le réseau peuvent eux-mêmes modifier ces vibrations.
Pour mieux comprendre cet effet, les chercheurs se concentrent dans leur projet actuel non pas sur un bon conducteur protonique, mais sur un moins bon. L'oxyde de cérium de lanthane (LCO) peut absorber de nombreux protons, mais ne les conduit pas. "Si un mauvais conducteur protonique est comparable à un embouteillage, alors le LCO est un véritable infarctus routier", dit Braun.
Cet inconvénient apparent offre aux chercheurs une occasion unique d'étudier les effets de la structure du matériau sur la conductivité protonique. En plus des méthodes d'analyse cristallographique à haute résolution avec des neutrons à l'Institut Paul Scherrer (PSI), l'équipe utilise de nouvelles méthodes dans de grandes installations de recherche aux États-Unis et au Japon pour mesurer précisément les vibrations des réseaux cristallins et vérifier expérimentalement les modèles théoriques. "Si nous comprenons les bases scientifiques de la conductivité protonique, nous pouvons idéalement dire comment les céramiques futures pourraient devenir de meilleurs conducteurs protoniques, permettant ainsi des membranes plus efficaces pour les piles à combustible et les électrolyseurs", explique le physicien.
Contact:
Dr. Artur Braun
Céramiques haute performance
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch