Matériaux pour le traitement de l'hydrogène à la loupe

L'hydrogène est un vecteur énergétique durable. L'hydrogène "vert", produit à partir d'énergie renouvelable, peut être utilisé comme stockage d'énergie et comme carburant. Pour rendre sa production et son utilisation plus efficaces, durables et économiques, de nouveaux matériaux sont nécessaires. Les membranes utilisées dans les piles à combustible et les électrolyseurs sont principalement responsables de l'efficacité des appareils. Ces membranes sont souvent fabriquées à partir de céramiques spécialisées.

La corrélation exacte entre le comportement des ions hydrogène - les protons - dans les membranes céramiques et leur structure matérielle n'est pas encore complètement comprise. Dans un projet financé par le Fonds national suisse (FNS), les chercheurs de l’Empa dirigés par Artur Braun, chef de groupe au laboratoire de céramiques haute performance, souhaitent examiner cette question avec des partenaires de recherche internationaux.

Braun et son équipe travaillent avec des conducteurs protons céramiques depuis 20 ans. De bons conducteurs de protons doivent principalement répondre à deux exigences : ils doivent capturer autant de protons que possible, et les protons doivent pouvoir se déplacer aussi librement que possible dans le matériau. Cependant, ces deux propriétés sont contradictoires : l'optimisation de l'une se fait souvent au détriment de l'autre.

Un terrain accidenté au lieu d'une circulation libre

«On peut imaginer la membrane céramique comme un paysage traversé de routes. Les protons se déplacent sur ces routes comme des voitures», compare Braun. Plus il y a de voitures sur les routes, plus le trafic ralentit. «Une autoroute à plusieurs voies pour protons, sur laquelle les charges coulent librement dans les deux sens, est une vue de l'esprit», explique-t-il. Toutefois, les membranes de protons actuelles ressemblent plutôt à un terrain accidenté, que les protons traversent péniblement via des chemins étroits.

Mais contrairement aux paysages qui nous sont familiers, les réseaux cristallins des membranes céramiques sont dynamiques - c’est-à-dire : changeants. Dans un travail précédent, l'équipe de Braun a pu montrer que la conductivité protonique dans les céramiques bien conductrices n'est pas toujours constante, mais fluctue entre des niveaux plus bas et des sommets. «C'est comme si les montagnes et les vallées s'aplanissaient soudainement. Les protons disposent d'une circulation libre pour un court instant», explique Braun. L'équipe de l’Empa a également pu démontrer que le transport de protons dans les conducteurs céramiques est étroitement lié aux vibrations du réseau cristallin - et que les protons incorporés dans le réseau peuvent modifier eux-mêmes ces vibrations.

Les réponses dans le réseau cristallin

Pour mieux comprendre cet effet, les chercheurs, dans leur projet actuel, ne se consacrent pas à un bon conducteur de protons, mais à un plutôt médiocre. L'oxyde de lanthane- cérine (LCO) peut capturer de nombreux protons, mais ne les conduit pas. «Si un mauvais conducteur de protons peut être comparé à un embouteillage, le LCO présente un véritable infarctus du trafic», déclare Braun.

Ce prétendu désavantage offre aux chercheurs une occasion unique d'examiner l'impact de la structure du matériau sur la conductivité protonique. Outre la clarification structurelle cristallographique à haute résolution avec des neutrons à l'Institut Paul Scherrer (PSI), l'équipe utilise des nouvelles méthodes dans de grandes installations de recherche aux États-Unis et au Japon, pour mesurer précisément les vibrations du réseau cristallin et vérifier expérimentalement les modèles théoriques. «Si nous comprenons les bases scientifiques de la conductivité protonique, nous pourrons idéalement indiquer comment de futures céramiques peuvent devenir de meilleurs conducteurs de protons, et ainsi permettre 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

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