Au cours des dernières années, Les piles à combustible sont devenues un point central de la recherche sur les technologies respectueuses de l'environnement en raison de leurs capacités supérieures à stocker et à produire de l'énergie renouvelable et du carburant propre. Un type typique de pile à combustible qui gagne du terrain est la pile à combustible conductrice de protons, qui est principalement constitué de matériaux à travers lesquels les ions hydrogène (protons :H ⁺ ), peut facilement se déplacer. Les matériaux conducteurs de protons offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux piles à combustible couramment utilisées qui comprennent des conducteurs oxyde-ion pour les électrolytes, comme une conductivité plus élevée à des températures basses et intermédiaires, des durées de vie plus longues, et des coûts inférieurs.

Cependant, seul un nombre limité de ces matériaux est connu et leur application au développement de piles à combustible est largement restée à l'échelle du laboratoire. Pour vraiment parvenir à une économie énergétique durable, de nouveaux conducteurs de protons à haute conductivité doivent être découverts qui peuvent permettre la mise à l'échelle efficace et à faible coût de ces technologies.

Des scientifiques de Tokyo Tech et de l'ANSTO ont entrepris de répondre à ce besoin, et dans une étude récente, identifié un nouveau matériau conducteur de protons qui pourrait être représentatif de toute une famille de conducteurs de protons.

Le matériau en question a la formule chimique Ba 5 Euh 2 Al 2 ZrO 13 et est classé comme un "oxyde hexagonal lié à la pérovskite". Professeur Masatomo Yashima, qui a dirigé l'étude, explique :"La conduction des protons dans les oxydes se produit généralement via le saut de protons entre les ions d'oxyde. Par conséquent, la structure cristalline et l'environnement local autour des ions oxydes ont un impact considérable sur les voies conductrices possibles. Cela explique pourquoi une conductivité protonique élevée n'a été signalée que dans un nombre limité de matériaux."

Le professeur Yashima et son équipe ont noté que la structure de Ba 5 Euh 2 Al 2 ZrO 13 contient des couches pauvres en oxygène et sa conductivité protonique est supérieure à celles des conducteurs protoniques représentatifs, qui sont créés en introduisant artificiellement des carences en oxygène dans les structures cristallines de certains matériaux. Ils ont réalisé que cette carence intrinsèque en oxygène de Ba 5 Euh 2 Al 2 ZrO 13 pourrait lui donner un avantage remarquable par rapport aux conducteurs de protons conventionnels, éliminant un problème majeur chez eux :leur instabilité et la difficulté de synthétiser des échantillons homogènes du point de vue de la composition.

Ils ont mené une série d'expériences pour élucider les mécanismes sous-jacents à cette propriété. Les premières investigations ont montré que la conductivité protonique de Ba5Er2Al2ZrO13 est élevée aux températures intermédiaires et basses qui sont essentielles aux applications industrielles potentielles. Après de nouvelles expérimentations, il s'est avéré que les molécules d'eau (H2O) dans l'air peuvent se dissoudre dans les couches pauvres en oxygène du cristal, où l'oxygène de l'eau est séparé de l'hydrogène pour produire du H+ mobile. Ces H+ "sautent ensuite à travers les ions oxydes" dans les couches pauvres en oxygène, permettant une conductivité protonique élevée.

Ce phénomène n'est pas limité à ce matériau particulier. L'équipe a synthétisé d'autres matériaux avec des structures similaires et a effectué des tests préliminaires sur leur conductivité électrique. Ils ont trouvé des résultats comparables à ceux de Ba 5 Euh 2 Al 2 ZrO 13 . Assistant Dr Taito Murakami, premier auteur de l'étude, explique :"Nos résultats suggèrent que les couches pauvres en oxygène dans les oxydes hexagonaux liés à la pérovskite pourraient être un bloc structurel général qui confère une conductivité protonique élevée. Ces couches peuvent être trouvées dans un certain nombre d'oxydes en plus de Ba 5 Euh 2 Al 2 ZrO 13 ."

Cette découverte d'une toute nouvelle gamme de matériaux intrinsèquement conducteurs de protons, et le mécanisme de leur conductivité protonique, pourrait porter la recherche dans ce domaine vers de nouveaux horizons. Dr James R. Hester de l'ANSTO, qui a également participé à l'étude, remarques :"Notre travail présente une stratégie potentielle pour concevoir des conducteurs de protons supérieurs basés sur les couches déficientes en oxygène de certains oxydes liés à la pérovskite." Ce travail représente, espérons-le, un pas vers un avenir plus propre.