Alors que le monde s'oriente vers des sources d'énergie plus respectueuses de l'environnement et durables, les piles à combustible suscitent beaucoup d'attention. Le principal avantage des piles à combustible est qu'elles utilisent de l'hydrogène, un carburant propre, et ne produisent que de l'eau comme sous-produit tout en générant de l'électricité. Cette nouvelle source d'électricité propre pourrait remplacer les batteries lithium-ion conventionnelles, qui alimentent actuellement tous les appareils électroniques modernes.

La plupart des piles à combustible utilisent une membrane Nafion - une membrane ionique à base de polymère synthétique - qui sert d'électrolyte solide conducteur de protons à base d'eau. L'utilisation de l'eau comme milieu de conduction protonique crée cependant un inconvénient majeur pour la pile à combustible, à savoir l'incapacité de fonctionner correctement à des températures supérieures à 100°C, température à laquelle l'eau commence à bouillir, entraînant une chute de la conductivité protonique. . Par conséquent, il existe un besoin pour de nouveaux conducteurs de protons capables de transférer efficacement les protons même à des températures aussi élevées.

Dans une récente percée, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur Makoto Tadokoro de l'Université des sciences de Tokyo (TUS), a présenté un nouveau conducteur de protons à haute température basé sur un complexe métallique imidazole-imidazolate qui montre une conductivité protonique efficace même à 147° C L'équipe de recherche comprenait le Dr Fumiya Kobayashi de TUS, le Dr Tomoyuki Akutagawa et le Dr Norihisa Hoshino de l'Université de Tohoku, le Dr Hajime Kamebuchi de l'Université Nihon, le Dr Motohiro Mizuno de l'Université de Kanazawa et le Dr Jun Miyazaki de l'Université de Tokyo Denki.

"L'imidazole, un composé organique contenant de l'azote, a gagné en popularité en tant que conducteur de protons alternatif pour sa capacité à fonctionner même sans eau. Cependant, il a un taux de transfert de protons inférieur à celui du Nafion utilisé de manière conventionnelle et fond à 120 °C. Pour surmonter ces questions, nous avons introduit six fractions d'imidazole dans un ion ruthénium (III) pour concevoir un nouveau complexe métallique qui fonctionne comme un support multi-proton et a une stabilité à haute température », explique le professeur Tadokoro lorsqu'on lui a demandé la justification de leur étude, qui était publié dans Chemistry—A European Journal et présenté sur la couverture du journal.

L'équipe a conçu une nouvelle molécule où trois imidazole (HIm) et trois imidazolate (Im ^- ) des groupes étaient attachés à un ion central ruthénium (III) (Ru ³⁺ ). Le monocristal moléculaire résultant était hautement symétrique et ressemblait à une forme « en étoile ». Après avoir étudié la conductivité protonique de ce complexe métallique de type starburst, l'équipe a découvert que chacun des six groupes imidazole attachés au Ru ³⁺ ion agit comme un émetteur de protons. Cela rendait la molécule 6 fois plus puissante que les molécules HIm individuelles, qui ne pouvaient transporter qu'un seul proton à la fois.

L'équipe a également exploré le mécanisme sous-jacent à la capacité de conduction protonique à haute température des molécules en étoile. Ils ont découvert qu'à une température supérieure à -70 °C, la conductivité protonique résultait de rotations individuelles localisées de HIm et Im ^- groupes et saut de protons vers d'autres Ru(III) ^® complexes dans le cristal via des liaisons hydrogène. Cependant, à des températures supérieures à 147°C, la conductivité protonique provenait de la rotation de la molécule entière, qui était également responsable de la conductivité protonique supérieure à des températures élevées. Cette rotation, confirmée par l'équipe à l'aide d'une technique appelée "solid-state ² Spectroscopie H-RMN", a donné un taux de conductivité supérieur de trois ordres de grandeur (σ =3,08 × 10 ^-5 S/cm) que celle des molécules HIm individuelles (σ =10 ^-8 S/cm).

L'équipe pense que leur étude pourrait servir de nouveau principe moteur pour les électrolytes à l'état solide conducteurs de protons. Les connaissances issues de leur nouvelle conception moléculaire pourraient être utilisées pour développer de nouveaux conducteurs de protons à haute température ainsi que pour améliorer la fonctionnalité des conducteurs existants. « Les piles à combustible détiennent la clé d'un avenir plus propre et plus vert. Notre étude propose une feuille de route pour améliorer les performances de ces ressources énergétiques neutres en carbone à des températures élevées en concevant et en mettant en œuvre des conducteurs de protons moléculaires capables de transférer efficacement des protons à de telles températures », conclut Professeur Tadokoro. + Explorer plus loin

De nouveaux conducteurs à haute teneur en protons avec des couches intrinsèquement pauvres en oxygène ouvrent un avenir durable