La quête de solutions énergétiques propres s’intensifie, et une découverte récente d’ingénieurs du MIT pourrait bien accélérer le développement de technologies essentielles. L’identification de nouveaux matériaux conducteurs de protons permettrait d’améliorer des applications dans le domaine de l’énergie verte, allant des piles à combustible plus efficaces aux batteries à l’état solide.
La plupart des appareils électroniques actuels fonctionnent grâce au mouvement des électrons. Cependant, les matériaux capables de conduire efficacement les protons – le noyau de l’atome d’hydrogène – pourraient jouer un rôle clé dans plusieurs technologies visant à lutter contre le changement climatique.
Le problème majeur des conducteurs de protons inorganiques existants réside dans leur nécessité de fonctionner à des températures élevées, entre 200 et 600 degrés Celsius, voire plus : «L’utilisation de températures élevées n’est pas souhaitable car elle rend l’ensemble du système plus complexe et la durabilité des matériaux devient problématique.» a tenu à expliquer Bilge Yildiz, professeure au MIT.
Une approche novatrice pour identifier de nouveaux matériaux
L’équipe du MIT a adopté une approche originale pour résoudre ce problème. Ils ont d’abord cherché à comprendre en profondeur le mécanisme de conduction des protons dans les composés inorganiques, en se concentrant sur une classe de matériaux appelés acides solides.
La professeure a décrit brièvement le processus : «La conduction des protons 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 éloigner le proton accepté, afin qu’il puisse sauter vers un autre accepteur voisin, permettant ainsi une diffusion des protons à longue distance.»
Simulation et analyse des caractéristiques clés
Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques pour étudier les acides solides qui deviennent de bons conducteurs de protons au-dessus de 200 degrés Celsius. Ils ont identifié deux caractéristiques cruciales :
1. La flexibilité du sous-réseau de groupes polyanions
2. Les phonons contribuant à cette flexibilité
Grâce à ces informations, ils ont pu parcourir de vastes bases de données de composés théoriquement et expérimentalement possibles, à la recherche de meilleurs matériaux conducteurs de protons.
L’équipe a identifié six nouveaux composés d’acides solides présentant des caractéristiques idéales pour la conduction des protons. Selon leurs simulations, ces matériaux pourraient surpasser les meilleurs conducteurs de protons acides solides existants.
Bilge Yildiz a enfin précisé : «Il existe des incertitudes dans ces simulations. Je ne veux pas dire exactement de combien la conductivité sera plus élevée, mais ces résultats semblent très prometteurs. J’espère que cela motivera le domaine expérimental à essayer de synthétiser ces composés sous différentes formes et à les utiliser comme conducteurs de protons.»
Applications potentielles et perspectives
Les applications potentielles de ces nouveaux matériaux conducteurs de protons sont nombreuses et variées :
– Piles à combustible plus efficaces et durables pour produire de l’électricité propre à partir d’hydrogène
– Électrolyseurs pour la production de carburants propres comme l’hydrogène
– Batteries à protons à l’état solide
– Nouveaux types de dispositifs informatiques basés sur des effets iono-électroniques
– Cellules électrochimiques pour la production de carburants et de matières premières chimiques comme l’hydrogène et l’ammoniac
Bien que la traduction de ces découvertes théoriques en dispositifs pratiques puisse prendre plusieurs années, elles ouvrent de nouvelles possibilités dans le domaine de l’énergie propre et de la lutte contre le changement climatique.
Légende illustration : Structure atomique composée de protons, neutrons et électroniques.
Article : « Uncovering fast solid-acid proton conductors based on dynamics of polyanion groups and proton bonding strength† » – DOI: d4ee01219d
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