Les matériaux conducteurs de protons pourraient permettre de nouvelles technologies énergétiques vertes

Comme leur nom l’indique, la plupart des appareils électroniques actuels fonctionnent grâce au mouvement des électrons. Mais les matériaux capables de conduire efficacement les protons (le noyau de l’atome d’hydrogène) pourraient être la clé d’un certain nombre de technologies importantes pour lutter contre le changement climatique mondial.

La plupart des matériaux inorganiques conducteurs de protons disponibles aujourd’hui nécessitent des températures excessivement élevées pour atteindre une conductivité suffisamment élevée. Cependant, des alternatives à plus basse température pourraient permettre de développer diverses technologies, telles que des piles à combustible plus efficaces et plus durables pour produire de l’électricité propre à partir de l’hydrogène, des électrolyseurs pour fabriquer des carburants propres tels que l’hydrogène pour les transports, des batteries à protons à l’état solide et même de nouveaux types d’appareils informatiques basés sur les effets ionoélectroniques.

Afin de faire progresser le développement des conducteurs protoniques, les ingénieurs du MIT ont identifié certaines caractéristiques des matériaux qui donnent lieu à une conduction protonique rapide. En utilisant ces caractéristiques de manière quantitative, l’équipe a identifié une demi-douzaine de nouveaux candidats prometteurs en tant que conducteurs protoniques rapides. Les simulations suggèrent que ces candidats auront des performances bien supérieures aux matériaux existants, même s’ils doivent encore être mis en conformité expérimentalement. En plus de découvrir de nouveaux matériaux potentiels, la recherche permet également de mieux comprendre le fonctionnement de ces matériaux au niveau atomique.

Les nouvelles découvertes sont décrites dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnementdans un article des professeurs du MIT Bilge Yildiz et Ju Li, des postdoctorants Pjotrs Zguns et Konstantin Klyukin, et de leur collaboratrice Sossina Haile et ses étudiants de l’Université Northwestern. Yildiz est professeur Breene M. Kerr dans les départements de science et d’ingénierie nucléaires et de science et d’ingénierie des matériaux.

« Les conducteurs protoniques sont nécessaires dans les applications de conversion d’énergie propre telles que les piles à combustible, où l’hydrogène est utilisé pour produire de l’électricité sans dioxyde de carbone », explique Yildiz. « Nous voulons réaliser ce processus de manière efficace, et nous avons donc besoin de matériaux capables de transporter les protons très rapidement à travers de tels dispositifs. »

Les méthodes actuelles de production d’hydrogène, comme le reformage du méthane à la vapeur, émettent une grande quantité de dioxyde de carbone. « Une façon d’éliminer ce problème est de produire de l’hydrogène par voie électrochimique à partir de vapeur d’eau, ce qui nécessite de très bons conducteurs de protons », explique Yildiz. La production d’autres produits chimiques industriels importants et de carburants potentiels, comme l’ammoniac, peut également être réalisée grâce à des systèmes électrochimiques efficaces qui nécessitent de bons conducteurs de protons.

Mais la plupart des matériaux inorganiques conducteurs de protons ne peuvent fonctionner qu’à des températures comprises entre 200 et 600 degrés Celsius (environ 450 à 1 100 degrés Fahrenheit), voire plus. De telles températures nécessitent de l’énergie pour être maintenues et peuvent provoquer la dégradation des matériaux.

« Il n’est pas souhaitable de passer à des températures plus élevées, car cela compliquerait la tâche de l’ensemble du système et la durabilité du matériau deviendrait un problème », explique Yildiz. « Il n’existe pas de bon conducteur de protons inorganique à température ambiante. »

Aujourd’hui, le seul conducteur de protons à température ambiante connu est un matériau polymère qui n’est pas pratique pour les applications dans les appareils informatiques car il ne peut pas être facilement réduit au régime nanométrique, dit-elle.

Pour résoudre ce problème, l’équipe a d’abord dû acquérir une compréhension basique et quantitative du fonctionnement exact de la conduction protonique, en prenant une classe de conducteurs protoniques inorganiques, appelés acides solides. « Il faut d’abord comprendre ce qui régit la conduction protonique dans ces composés inorganiques », explique-t-elle. En examinant les configurations atomiques des matériaux, les chercheurs ont identifié une paire de caractéristiques directement liées au potentiel de transport protonique des matériaux.

Comme l’explique Yildiz, la conduction protonique implique d’abord un proton « sautant d’un atome d’oxygène donneur à un atome d’oxygène accepteur. Ensuite, l’environnement doit se réorganiser et retirer le proton accepté, afin qu’il puisse sauter vers un autre accepteur voisin, permettant ainsi la diffusion protonique à longue distance. »

Ce processus se produit dans de nombreux solides inorganiques, explique-t-elle. Comprendre comment fonctionne cette dernière partie – comment le réseau atomique se réorganise pour retirer le proton accepté de l’atome donneur d’origine – a été un élément clé de cette recherche, dit-elle.

Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques pour étudier une classe de matériaux appelés acides solides qui deviennent de bons conducteurs de protons au-dessus de 200 degrés Celsius. Cette classe de matériaux possède une sous-structure appelée sous-réseau de groupe de polyanions, et ces groupes doivent tourner et éloigner le proton de son site d’origine pour qu’il puisse ensuite le transférer vers d’autres sites.

Les chercheurs ont pu identifier les phonons qui contribuent à la flexibilité de ce sous-réseau, essentiel à la conduction des protons. Ils ont ensuite utilisé ces informations pour passer au peigne fin de vastes bases de données de composés théoriquement et expérimentalement possibles, à la recherche de matériaux plus conducteurs de protons.

Ils ont ainsi découvert des composés acides solides qui sont des conducteurs de protons prometteurs et qui ont été développés et produits pour une variété d’applications différentes mais jamais étudiés auparavant en tant que conducteurs de protons ; ces composés se sont avérés avoir exactement les bonnes caractéristiques de flexibilité de réseau.

L’équipe a ensuite réalisé des simulations informatiques pour déterminer le comportement à des températures appropriées des matériaux spécifiques identifiés lors de leur sélection initiale, afin de confirmer leur adéquation en tant que conducteurs de protons pour les piles à combustible ou d’autres utilisations. Ils ont effectivement trouvé six matériaux prometteurs, avec des vitesses de conduction de protons prévues plus rapides que celles des meilleurs conducteurs de protons acides solides existants.

« Il y a des incertitudes dans ces simulations », prévient Yildiz. « Je ne veux pas dire exactement dans quelle mesure la conductivité sera plus élevée, mais ces résultats semblent très prometteurs. J’espère que cela motivera le domaine expérimental à essayer de les synthétiser sous différentes formes et à utiliser ces composés comme conducteurs de protons. »

Selon elle, il faudra peut-être plusieurs années pour traduire ces résultats théoriques en dispositifs pratiques. Les premières applications possibles seraient des cellules électrochimiques permettant de produire des carburants et des matières premières chimiques telles que l’hydrogène et l’ammoniac.