L'hydrogène est considéré comme la source d'énergie du futur :il est produit à l'aide de l'énergie solaire et peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité dans des piles à combustible. Les chercheurs de l'Empa sont désormais parvenus à décoder le mouvement des ions hydrogène dans les cristaux – une étape clé vers une conversion énergétique plus efficace dans l'industrie de l'hydrogène de demain.

En tant que porteurs de charges, les électrons et les ions jouent un rôle de premier plan dans les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique et les convertisseurs tels que les batteries et les piles à combustible. La conductivité protonique est cruciale pour ces derniers; protons, c'est-à-dire des ions hydrogène chargés positivement, sont formés à partir d'hydrogène, qui sert à alimenter la pile à combustible. le physicien de l'Empa Artur Braun et Qianli Chen, doctorant à l'ETH Zurich, ont mené des expériences de diffusion de neutrons sur la source suisse de neutrons de spallation (SINQ) de l'Institut Paul Scherrer (PSI) qui documentent la mobilité des protons dans le réseau cristallin. Dans le processus, ils ont observé que les mouvements des protons dans les piles à combustible en céramique obéissent à des lois beaucoup plus complexes qu'on ne le supposait auparavant :le mouvement des protons s'effectue selon le modèle dit du polaron, comme les chercheurs l'ont récemment rapporté dans la célèbre revue Communication Nature .

Pendant longtemps, la théorie du polaron développée par le physicien russe et futur lauréat du prix Nobel Lev Davidovich Landau en 1933 ne s'appliquait qu'aux électrons. Le modèle décrit comment les électrons "se frayent un chemin" à travers un cristal diélectrique et forcent les atomes "interférents" hors de leur position, qui ralentit les électrons. En d'autres termes, les polarons sont des ondes de mouvement dans le cristal, dont la propagation peut être décrite comme la trajectoire d'une particule. Ils peuvent être déviés et réfléchis.

Le polaron électronique a longtemps été un pilier de la physique théorique et la base incontestée des calculs de modèles appliqués dans les cercles d'experts. Par contre, l'existence d'un polaron d'hydrogène - c'est-à-dire un ion hydrogène qui "saute" d'une position à l'autre - n'était jusqu'à présent qu'une théorie spéculative. Bien que les biologistes aient utilisé le modèle du saut d'atomes d'hydrogène pour expliquer certains processus métaboliques, les physiciens du solide ne considéraient pas les polarons d'hydrogène comme un modèle explicatif valable.

Cela pourrait maintenant changer :sur la base d'expériences utilisant des cristaux d'oxyde cérique de baryum dopé à l'yttrium et d'oxyde de zirconium et de baryum, Braun et Chen ont réussi à prouver l'existence du polaron à protons. A l'état sec, ces cristaux ne sont pas conducteurs. S'ils sont exposés à une atmosphère de vapeur, cependant, Des groupes OH se forment à l'intérieur de la structure cristalline. Les protons libérés peuvent alors se déplacer de manière ondulatoire et l'oxyde devient ioniquement conducteur.

La chaleur et la haute pression en font la preuve

Braun et Chen ont trouvé des preuves d'ondes d'ions hydrogène en étudiant les cristaux dans différentes conditions de haute pression et à des températures allant jusqu'à 600 degrés Celsius. La bonne connectivité de l'Empa dans le monde scientifique était cruciale :les échantillons ont été radiographiés sur la source de neutrons du PSI et les expériences à haute pression sur les cristaux ont été menées en collaboration avec des chercheurs de la Faculté des géosciences/géographie de l'Université Goethe, Francfort-sur-le-Main.

Le résultat :à des températures comprises entre 220 et 520 degrés, la conductivité augmente exactement dans la même mesure que prévu dans les calculs de modèle pour les vibrations du réseau du cristal. Les protons sont donc initialement liés dans le réseau cristallin et commencent à sauter à travers le cristal d'un groupe OH à un autre dans le concert des vibrations du réseau lorsqu'ils sont chauffés. Si le cristal est exposé à une pression élevée avec un compacteur spécial, il y a moins de place pour les sauts de protons et la conductivité chute à nouveau. Cela prouve que le modèle du polaron s'applique à la fois aux électrons et aux protons. "Et qui sait, peut-être que la théorie est également vraie pour d'autres ions tels que le lithium, " spécule Braun.

Les résultats des chercheurs de l'Empa pourraient bientôt fournir des informations vitales sur le choix des matériaux pour les piles à combustible et les systèmes de stockage d'hydrogène – et ainsi influencer l'approvisionnement énergétique du futur. Cependant, le comportement des isolateurs en céramique peut également être mesuré plus efficacement maintenant :isolent-ils encore bien à des températures élevées dans l'air extérieur humide ? Ou des fuites de courant se développent-elles qui peuvent être attribuées à la conduction polaron ? Grâce au projet de Braun et Chen, financé par le Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS), certaines énigmes de la science des matériaux peuvent ainsi être résolues.