L'éthanol a une densité énergétique volumétrique cinq fois plus élevée (6,7 kWh/L) que l'hydrogène (1,3 kWh/L) et peut être utilisé en toute sécurité dans les piles à combustible pour la production d'électricité. Au Brésil en particulier, il existe un grand intérêt pour de meilleures piles à combustible pour l'éthanol, car ce pays distribue de l'éthanol à faible coût produit de manière renouvelable à partir de la canne à sucre. Théoriquement, l'efficacité d'une pile à combustible à l'éthanol devrait être de 96 %, mais en pratique, à la densité de puissance la plus élevée, il n'est que de 30 %, pour diverses raisons. Il y a donc beaucoup de place pour l'amélioration.

Nafion aux nanoparticules

Une équipe dirigée par le Dr Bruno Matos de l'institut de recherche brésilien IPEN étudie donc de nouvelles membranes composites pour les piles à combustible à éthanol direct. Une solution prometteuse consiste à adapter de nouveaux matériaux électrolytiques composites à base de polymères pour remplacer l'électrolyte polymère de pointe tel que Nafion. Matos et son équipe utilisent un procédé d'extrusion à l'état fondu pour produire des membranes composites à base de Nafion avec des nanoparticules de titanate supplémentaires, qui ont été fonctionnalisés avec des groupes acide sulfonique.

Expériences infrarouges à BESSY II

L'équipe de Matos a maintenant analysé en profondeur quatre compositions différentes de membranes composites Nafion sur la ligne de lumière infrarouge IRIS de BESSY II. Les mesures de diffusion des rayons X aux petits angles ont confirmé que les particules de titane interagissaient de manière synergique avec la matrice ionomère de Nafion.

Augmentation de la conductivité des protons

En utilisant la spectroscopie infrarouge, ils ont observé que des ponts chimiques se formaient entre les groupements acide sulfonique des nanoparticules fonctionnalisées. En outre, en suivant le mouvement des protons le long des amas ioniques, ils ont trouvé une conductivité protonique accrue dans la membrane composite, même à des concentrations élevées de nanoparticules. "C'était une vraie surprise à laquelle nous ne nous attendions pas, " Dr Ljiljana Puskar, dit HZB-scientifique à l'IRIS-Beamline. La diminution de la conductivité avec l'augmentation des nanoparticules est l'un des principaux freins retardant le développement de matériaux composites hautes performances. La conductivité protonique plus élevée pourrait permettre une meilleure mobilité des porteurs de charge et ainsi augmenter l'efficacité de la pile à combustible à éthanol direct.

Avantage de l'extrusion à l'état fondu

"Cette membrane composite peut être réalisée par extrusion à chaud, qui permettrait leur production à l'échelle industrielle, " fait remarquer Matos.