L'hydrogène est un vecteur énergétique durable. L'hydrogène «vert», c'est-à-dire produit avec de l'énergie renouvelable, peut être utilisé comme réservoir d'énergie et carburant. Pour rendre sa production et son utilisation plus efficaces, durables et économiquement viables, de nouveaux matériaux sont nécessaires. Ainsi, les membranes utilisées dans les piles à combustible et les électrolyseurs sont en grande partie responsables de l'efficacité de ces dispositifs. Ces membranes sont souvent fabriquées à partir de céramiques spécialisées.
Comment le comportement des ions d'hydrogène – les protons – dans les membranes en céramique est lié à la structure du matériau n'est pas encore totalement compris. Dans un projet financé par le Fonds national suisse (FNS), les chercheurs de l'Empa, sous la direction d'Artur Braun, chef de groupe au laboratoire de céramiques haute performance, cherchent à répondre à cette question avec des partenaires de recherche internationaux.
Braun et son équipe travaillent sur les conducteurs ioniques céramiques depuis 20 ans. De bons conducteurs de protons doivent satisfaire principalement deux exigences : ils doivent absorber autant de protons que possible, et les protons devraient pouvoir se déplacer librement dans le matériau. Ces deux propriétés sont toutefois en contradiction : augmenter l'une compromet généralement l'autre.
«On peut imaginer une 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 le trafic ralentit. «Une autoroute de protons à plusieurs voies, où les charges circulent librement dans les deux sens, est un idéal», explique-t-il. Cependant, les membranes de protons courantes ressemblent plutôt à un terrain accidenté que les protons traversent laborieusement sur des sentiers étroits.
Contrairement aux paysages que nous connaissons, les réseaux cristallins des membranes céramiques sont dynamiques – en d'autres termes : variables. Dans un travail précédent, l'équipe de Braun a pu montrer que la conductivité des protons dans les céramiques bien conductrices n'est pas constante, mais peut atteindre des valeurs maximales élevées. «C'est comme si les montagnes et vallées s'égalisent soudainement. Les protons ont une autoroute dégagée pour un court instant», explique Braun. L'équipe de l'Empa a également montré que le transport des protons dans les conducteurs céramiques est étroitement lié aux oscillations du réseau cristallin – et que les protons intégrés dans le réseau peuvent modifier ces oscillations.
Pour mieux comprendre cet effet, les chercheurs étudient dans leur projet actuel non pas un bon conducteur de protons, mais un mauvais. L'oxyde de lanthane-cérine (LCO) peut absorber de nombreux protons, mais ne les conduit pas. «Si l'on compare un mauvais conducteur de protons à un embouteillage, alors le LCO équivaut à une paralysie totale du trafic», dit Braun.
Cet inconvénient apparent offre cependant une occasion unique aux chercheurs d'étudier les effets de la structure du matériau sur la conductivité des protons. Outre la détermination cristallographique haute résolution de la structure à l'aide de neutrons au Paul Scherrer Institut (PSI), l'équipe utilise de nouvelles méthodes dans des installations de recherche aux États-Unis et au Japon pour mesurer précisément les oscillations des réseaux cristallins et vérifier expérimentalement les modèles théoriques. «Si nous comprenons les bases scientifiques de la conductivité protonique, nous pourrons idéalement indiquer comment les céramiques futures pourraient devenir de meilleurs conducteurs de protons, permettant ainsi des membranes plus efficaces pour les piles à combustible et les électrolyseurs», explique le physicien.
Contact:
Dr. Artur Braun
Céramique haute performance
Tel. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch