Les performances d'une pile à combustible – un dispositif qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique – dépend de la façon dont les ions peuvent se déplacer dans le matériau de la cellule. La plupart des piles à combustible actuelles fonctionnent à des températures élevées supérieures à 500 ° C.
Pour réduire les coûts et permettre l'utilisation de divers carburants, les chercheurs visent à développer des piles à combustible qui fonctionnent efficacement dans la plage de température intermédiaire de 200 à 500 ° C. Cependant, les progrès ont été limités par un manque de matériaux qui peuvent effectuer des ions efficacement à ces températures.
Une équipe de l'Université de Tohoku a maintenant découvert un nouveau matériau qui peut mener efficacement les protons et les électrons à la plage de température « modérée ».
Ils ont publié leurs résultats dans le Journal de l'American Chemical Society.
« De tels matériaux sont essentiels pour développer des dispositifs d'énergie d'hydrogène de nouvelle génération, comme les piles à combustible et les membranes de séparation d'hydrogène », a déclaré Tomoyuki Yamasaki, professeur adjoint à l'Institut de recherche multidisciplinaire de l'Université Tohoku pour les matériaux avancés.
« Ces dispositifs aident à convertir l'hydrogène en électricité ou à produire de l'hydrogène plus efficacement, ce qui soutient le changement vers une société durable et peu carbone. »
Les chercheurs ont découvert que le dioxyde de titane (TIO2) dopés avec des fonctions de niobium (NB) comme un conducteur mixte avec une conductivité proton élevée et électronique à des températures modérées. NB agit comme donneur d'électrons, augmentant la densité d'électrons dans le cristal. Bien que cela améliore la conductivité électronique, le rôle de NB va au-delà.
NB stabilise les protons dans le TIO2 cristal, permettant au matériau absorber 10 à 100 fois plus d'hydrogène que le TIO non non.2. De plus, NB affaiblit la liaison entre les protons chargés positivement et Ti chargé négativement, permettant aux protons de diffuser rapidement. Ensemble, ces effets conduisent à une conduction rapide et simultanée des protons et des électrons.
« Ce travail propose un nouveau concept: le dopage avec des donateurs d'électrons augmente la densité d'électrons, qui à son tour améliore la conductivité des protons », a déclaré Takahisa Omata, professeur à l'Institut de recherche multidisciplinaire de l'Université Tohoku pour les matériaux avancés.
Pour mesurer la conductivité des protons, l'équipe a utilisé un électrolyte en verre conducteur de protons qu'ils ont développé. Ce verre effectue des protons mais bloque les électrons, permettant une mesure précise de la conduction des protons même dans un conducteur électronique.
« Cette technique nous a permis d'isoler et d'évaluer clairement la conduction des protons dans un conducteur hautement électronique », a déclaré Yamasaki. « La conductivité des protons que nous avons mesurée est plus élevée que celle de nombreux électrolytes connus de conduction de protons à la même température. »
Il s'agit de la première démonstration rapportée de dopage des donneurs d'électrons facilitant à la fois la conduction du proton et des électrons à des températures intermédiaires. Ce travail pourrait élargir considérablement la gamme de matériaux disponibles pour les futures technologies énergétiques, notamment les piles à combustible et les membranes de séparation d'hydrogène.
