En cette ère post-industrialisation, l'électricité est devenue l'épine dorsale de notre société. Cependant, l'utilisation de combustibles fossiles pour la générer n'est pas la meilleure option en raison de leur disponibilité limitée et de leur nature nocive. Au cours des deux dernières décennies, des efforts importants ont été faits pour développer des techniques favorisant l'énergie durable. Dans ce contexte, Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont devenues une alternative propre et hautement efficace pouvant générer de l'énergie électrique. Cependant, un inconvénient majeur des SOFC est leur température de fonctionnement élevée, restreindre leur utilisation généralisée.

Diverses études antérieures ont tenté de pallier cet inconvénient en améliorant la conductivité à haute température en utilisant des oxydes de type fluorite comme CeO 2-δ . Normalement, ces oxydes de fluorine sont disponibles sous forme poreuse, et on pense que leur mécanisme de conductivité dépend de l'adsorption en surface des molécules d'eau, qui est le processus d'adhésion d'atomes ou de molécules à une surface.

Une équipe de scientifiques de l'Université des sciences de Tokyo, dirigé par le Dr Tohru Higuchi, a fait avancer cette recherche d'un pas. Dans leur nouvelle étude publiée dans Lettres de recherche à l'échelle nanométrique , les chercheurs ont exploré l'effet du « dopage, " qui est le processus d'ajout d'impuretés pour modifier leur conductivité, sur ces oxydes, qui sont un très bon candidat pour les SOFC. Les chercheurs ont "dopé" l'oxyde avec un métal appelé Samarium (Sm). Puis, ils ont déposé des couches minces de cet oxyde dopé sur un substrat d'oxyde d'aluminium (Al 2 O 3 ) dans une direction spécifique connue pour améliorer la conductivité. Le Dr Higuchi considère cela comme un avantage, en déclarant, « Lorsque vous envisagez des appareils pratiques, les formes en film mince sont plus adaptées que les formes poreuses ou nanocristallines.

Puis, l'équipe de recherche a caractérisé la qualité cristalline et la structure électronique du nouveau film. Ils ont également comparé la différence de conductivité entre ce nouveau film et les oxydes céramiques épais couramment utilisés dans l'industrie. Leurs découvertes ont révélé que l'échantillon de céramique présentait une faible cristallinité et une mauvaise conductivité protonique par rapport à l'échantillon de film mince.

Quoi de plus, la " résistivité " - ou la résistance au flux électrique - du film mince s'est avérée diminuer avec l'augmentation de l'humidité en raison de la " conduction protonique " dans les oxydes de type fluorite, comme expliqué par le mécanisme de Grotthuss. Une molécule d'eau est constituée de deux atomes d'oxygène et d'un atome d'hydrogène. Les molécules d'eau ont des liaisons entre elles, appelées « liaisons hydrogène ». Le mécanisme de Grotthuss (ou le mécanisme "hop-turn") permet aux molécules d'eau de se diviser en ions qui augmentent la conductivité, et par conséquent, ils se déplacent d'une liaison hydrogène à une autre. Le nouveau film s'est avéré présenter une conduction protonique de surface dans la région des basses températures en dessous de 100°C.

Ce film roman, avec sa conductivité élevée à température ambiante, est sûr d'avoir plusieurs applications à l'avenir. En ce qui concerne les SOFC, Le Dr Higuchi conclut, "Notre étude sur les membranes électrolytiques présente des découvertes radicales qui peuvent aider à abaisser la température de fonctionnement des SOFC, et peut être un système alternatif pour fabriquer des dispositifs plus pratiques utilisant des oxydes de type fluorite dans les SOFC, et ouvrir de nouvelles voies pour la production d'électricité nucléaire et thermique à l'avenir."