Les positions initiales des atomes dans ce modèle informatique d'une pile à combustible à oxyde solide étaient basées sur des observations de la configuration atomique réelle en utilisant la microscopie électronique. Des simulations utilisant ce modèle ont révélé une réaction inédite (chemin rouge) dans laquelle une molécule d'oxygène de la couche de zircone stabilisée à l'yttria (couche de boules rouges et bleu clair) se déplace à travers la couche de nickel en vrac (boules bleu foncé) avant de former OH sur le surface nickelée. Crédit :Michihisa Koyama, Université de Kyushu
Les simulations de chercheurs au Japon fournissent de nouvelles informations sur les réactions se produisant dans les piles à combustible à oxyde solide en utilisant des modèles réalistes à l'échelle atomique du site actif à l'électrode sur la base d'observations au microscope comme point de départ. Cette meilleure compréhension pourrait donner des indices sur les moyens d'améliorer les performances et la durabilité des futurs appareils.
Extrêmement prometteur pour une production d'électricité propre et efficace, les piles à combustible à oxyde solide produisent de l'électricité par réaction électrochimique d'un combustible avec l'air, et ils ont déjà commencé à trouver leur chemin dans les maisons et les immeubles de bureaux à travers le Japon.
Dans une pile à combustible typique, les molécules d'oxygène d'un côté de la pile à combustible reçoivent d'abord des électrons et se décomposent en ions oxyde. Les ions oxyde se déplacent ensuite à travers un électrolyte jusqu'à l'autre côté de l'appareil, où ils réagissent avec le carburant et libèrent leurs électrons supplémentaires. Ces électrons circulent à travers les fils extérieurs vers le côté de départ, complétant ainsi le circuit et alimentant tout ce qui est connecté aux fils.
Bien que cette réaction globale soit bien connue et relativement simple, l'étape de réaction limitant la vitesse globale du procédé reste controversée car les structures compliquées des électrodes - qui sont généralement des matériaux poreux par opposition aux simples, surfaces planes - entravent l'étude des phénomènes au niveau atomique.
Étant donné qu'une connaissance détaillée des réactions se produisant dans les dispositifs est vitale pour améliorer encore les performances et la durabilité des piles à combustible, le défi a été de comprendre comment les structures microscopiques, jusqu'à l'alignement des atomes aux différentes interfaces, affectent les réactions.
"Les simulations informatiques ont joué un rôle puissant dans la prédiction et la compréhension de réactions que nous ne pouvons pas facilement observer à l'échelle atomique ou moléculaire, " explique Michihisa Koyama, le chef du groupe qui a dirigé la recherche au Centre de recherche INAMORI Frontier de l'Université de Kyushu.
"Toutefois, la plupart des études ont supposé des structures simplifiées pour réduire le coût de calcul, et ces systèmes ne peuvent pas reproduire les structures et les comportements complexes qui se produisent dans le monde réel."
Le groupe de Koyama visait à surmonter ces lacunes en appliquant des simulations avec des paramètres raffinés à des modèles réalistes des interfaces clés basés sur des observations microscopiques des positions réelles des atomes sur le site actif de l'électrode.
Tirant parti de la force du Centre de recherche en ultramicroscopie de l'Université de Kyushu, les chercheurs ont soigneusement observé la structure atomique de fines tranches de piles à combustible en utilisant la microscopie électronique à résolution atomique. Sur la base de ces observations, les chercheurs ont ensuite reconstruit des modèles informatiques avec les mêmes structures atomiques pour deux arrangements représentatifs qu'ils ont observés.
Les réactions entre l'hydrogène et l'oxygène dans ces piles à combustible virtuelles ont ensuite été simulées avec une méthode appelée Reactive Force Field Molecular Dynamics, qui utilise un ensemble de paramètres pour approximer comment les atomes vont interagir - et même réagir chimiquement - les uns avec les autres, sans entrer dans toute la complexité des calculs de chimie quantique rigoureux. Dans ce cas, les chercheurs ont utilisé un ensemble amélioré de paramètres développés en collaboration avec le groupe de Yoshitaka Umeno à l'Université de Tokyo.
En regardant le résultat de plusieurs exécutions des simulations sur les différents systèmes modèles, les chercheurs ont découvert que les réactions souhaitées étaient plus susceptibles de se produire dans des couches avec une taille de pores plus petite.
Par ailleurs, ils ont identifié une nouvelle voie de réaction dans laquelle l'oxygène migre à travers les couches massives d'une manière qui pourrait potentiellement dégrader les performances et la durabilité. Ainsi, des stratégies pour éviter cette voie de réaction potentielle devraient être envisagées alors que les chercheurs travaillent à la conception de piles à combustible améliorées.
« Ce sont les types d'informations que nous ne pouvions obtenir qu'en examinant les systèmes du monde réel, " commente Koyama. " A l'avenir, Je m'attends à voir plus de personnes utiliser des structures atomiques du monde réel recréées à partir d'observations au microscope pour la base de simulations afin de comprendre des phénomènes que nous ne pouvons pas facilement mesurer et observer en laboratoire."
