Pour devenir un pilier de la transition énergétique, l’hydrogène doit faire face à des défis technologiques majeurs et notamment au « Norby gap », qui limite pour l’instant l’utilisation des piles à combustible céramique protonique. Une équipe de chercheurs japonais propose ainsi une approche innovante, ouvrant la voie à des matériaux plus conducteurs et stables à température intermédiaire.
Ressource potentiellement renouvelable et non polluante, l’hydrogène est aujourd’hui au cœur des stratégies de transition énergétique. Mais pour exploiter pleinement son potentiel, il est indispensable de disposer de technologies capables de convertir efficacement l’hydrogène en électricité et inversement, notamment via les piles à combustible et les électrolyseurs. Parmi ces technologies, les piles à combustible protonique à base de céramiques ont suscité un intérêt croissant. Elles se distinguent par leur fonctionnement à des températures plus basses que les piles à combustible classiques, tout en offrant un rendement théorique élevé.
Le problème du Norby gap : une limitation majeure au développement de l’hydrogène
Le principal obstacle au développement des piles à combustible céramique protonique est le Norby gap, qui empêche les céramiques classiques de combiner une bonne conductivité protonique et une stabilité chimique à des températures de 200–400°C. Ce problème vient des difficultés inhérentes au transport des protons dans les solides.
Actuellement, la majorité des conducteurs protoniques céramiques reposent sur le dopage accepteur : la substitution d’ions de valence inférieure dans le réseau cristallin crée des lacunes d’oxygène qui favorisent l’hydratation du matériau et donc la formation de protons mobiles. Si cette stratégie augmente bien la concentration en protons, elle engendre cependant souvent un phénomène de piégeage des protons : ces derniers restent en effet bloqués autour des atomes dopants plutôt que de circuler librement dans le réseau cristallin. Or, ce piégeage augmente l’énergie nécessaire à la migration des protons et limite fortement la conductivité à température intermédiaire, empêchant les matériaux de répondre aux exigences des applications pratiques.
Le co-dopage donneur, une solution novatrice
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