Un certain nombre de technologies énergétiques avancées, notamment les piles à combustible, les électrolyseurs et une classe émergente d’électronique basse consommation utilisent les protons comme porteurs de charge clés. L’adoption généralisée de ces dispositifs dépend, en partie, de l’efficacité avec laquelle ils peuvent déplacer les protons.
Une classe de matériaux connue sous le nom d’oxydes métalliques a montré des résultats prometteurs pour la conduction des protons à des températures supérieures à 400 degrés Celsius. Mais les chercheurs ont eu du mal à trouver les meilleurs matériaux pour augmenter la conductivité protonique à des températures plus basses et améliorer l’efficacité.
Désormais, des chercheurs du MIT ont développé un modèle physique pour prédire la mobilité des protons dans un large éventail d’oxydes métalliques. Dans un nouvel article, les chercheurs ont classé les caractéristiques les plus importantes des oxydes métalliques pour faciliter la conduction protonique, et ont démontré pour la première fois à quel point la flexibilité des ions oxyde des matériaux améliore leur capacité à transférer des protons.
Les chercheurs estiment que leurs découvertes peuvent guider les scientifiques et les ingénieurs dans le développement de matériaux pour des technologies énergétiques plus efficaces rendues possibles par les protons, qui sont plus légers, plus petits et plus abondants que les porteurs de charge plus courants comme les ions lithium.
« Si vous comprenez le mécanisme d’un processus et quelles caractéristiques des matériaux régissent ce mécanisme, alors vous pouvez ajuster ces caractéristiques pour améliorer la vitesse de ce processus — dans ce cas, la conduction protonique », explique Bilge Yildiz, professeure Breen M. Kerr dans les départements de Science et Ingénierie Nucléaires (NSE) et de Science et Ingénierie des Matériaux (DMSE) au MIT et auteure principale d’un article décrivant le travail.
« Pour cette application, nous devons comprendre ces relations quantitatives entre le transfert de protons et les caractéristiques structurelles, chimiques, électroniques et dynamiques du matériau. Établir ces relations peut nous aider à cribler les bases de données de matériaux pour trouver des composés qui satisfont ces caractéristiques, ou même aller au-delà du criblage. Il pourrait y avoir des moyens d’utiliser des outils d’IA générative pour créer des composés qui optimisent ces caractéristiques. »
Faire sauter les protons
Les protons sont déjà utilisés à grande échelle dans les électrolyseurs pour la production d’hydrogène et dans les piles à combustible. Ils devraient également être utilisés dans des technologies prometteuses de stockage d’énergie telles que les batteries à protons, qui pourraient être à base d’eau et reposer sur des matériaux moins chers que les batteries lithium-ion. Une application plus récente et passionnante est l’informatique basse consommation, inspirée du cerveau pour émuler les fonctions synaptiques dans des dispositifs d’intelligence artificielle.
« Les conducteurs de protons sont des matériaux importants dans différentes technologies de conversion d’énergie pour une électricité propre, des carburants propres et une synthèse chimique industrielle propre », précise Yildiz. « Des conducteurs de protons inorganiques, évolutifs et fonctionnant à température ambiante sont également nécessaires pour l’informatique inspirée du cerveau économe en énergie. »
Les protons, qui sont l’état chargé positivement de l’hydrogène, diffèrent des ions lithium ou sodium car ils n’ont pas leurs propres électrons — les protons ne sont constitués que du noyau nu. Par conséquent, les protons préfèrent s’incruster dans les nuages électroniques des ions voisins, sautant de l’un à l’autre. Dans les oxydes métalliques, les protons s’incrustent dans les ions oxygène, formant une liaison covalente, et sautent vers un ion oxygène voisin via une liaison hydrogène. Après chaque saut, la liaison covalente H-O tourne pour empêcher le proton d’aller et venir.
Tout ce saut et cette rotation ont amené les chercheurs du MIT à penser que la flexibilité de ces sous-réseaux d’ions oxyde doit être importante pour conduire les protons. En effet, leurs études précédentes dans une autre classe de conducteurs de protons avaient montré comment la flexibilité du réseau cristallin affecte le transport des protons.
Pour leur étude, les chercheurs ont créé une métrique pour quantifier la flexibilité du réseau à travers les matériaux qu’ils appellent « fluctuation O…O », qui mesure le changement d’espacement entre les ions oxygène dû aux phonons à température finie. Ils ont également créé un ensemble de données d’autres caractéristiques des matériaux qui influencent la mobilité des protons et se sont mis à quantifier l’importance de chacune pour faciliter la conduction protonique.
« Nous essayions de mieux comprendre comment les protons se déplacent à travers ces matériaux inorganiques afin de pouvoir les optimiser et améliorer l’efficacité des applications énergétiques et informatiques en aval », explique Chung.
Les chercheurs ont classé l’importance des sept caractéristiques qu’ils ont étudiées, qui incluaient également des traits structurels et chimiques des matériaux, et ont entraîné un modèle sur les résultats pour prédire dans quelle mesure les matériaux conduiraient les protons. Le modèle a révélé que les deux caractéristiques les plus importantes pour prédire les barrières de transfert de protons sont la longueur de la liaison hydrogène et la flexibilité du sous-réseau d’oxygène caractérisée par la métrique de fluctuation O…O. Plus la longueur de la liaison hydrogène est courte, meilleur était le matériau pour transporter les protons, ce qui correspondait aux études précédentes sur les oxydes métalliques. La métrique de fluctuation O…O des chercheurs était la nouvelle et la deuxième caractéristique la plus importante qu’ils ont étudiée. Plus les chaînes d’ions oxygène sont flexibles, meilleure est la conduction protonique.
De meilleurs conducteurs de protons
Les chercheurs estiment que leur modèle pourrait être utilisé pour estimer la conduction protonique dans un plus large éventail de matériaux.
« Nous devons toujours être prudents quant à la généralisation des résultats, mais les chimies et structures locales que nous avons étudiées ont un spectre suffisamment large pour que nous pensions que cette découverte est largement applicable à une gamme de conducteurs de protons inorganiques », affirme Yildiz.
Au-delà de leur utilisation pour cribler des matériaux prometteurs, les chercheurs affirment que leurs découvertes pourraient également servir à entraîner des modèles d’IA générative pour créer des matériaux optimisés pour le transfert de protons. À mesure que notre compréhension des matériaux s’améliore, cela pourrait permettre une nouvelle classe de technologies d’énergie propre hyper-efficaces.
« Il existe des bases de données de matériaux très vastes générées récemment dans le domaine, par exemple celles de Google et Microsoft, qui pourraient être criblées pour ces relations que nous avons trouvées », déclare Yildiz. « Si le composé matériel qui satisfait ces paramètres n’existe pas, nous pourrions également utiliser ces paramètres pour générer de nouveaux composés. Cela permettrait d’augmenter l’efficacité énergétique et la viabilité des dispositifs de conversion d’énergie propre et d’informatique basse consommation. Pour cela, nous devons comprendre comment obtenir des sous-réseaux d’ions oxyde plus flexibles qui soient percolés. Quelles sont les métriques de composition et de structure que je peux utiliser pour concevoir le matériau pour avoir cette flexibilité ? Ce sont les prochaines étapes. »
Article : Flexibility of oxygen sublattice and hydrogen bond length predict proton mobility in ternary metal oxides – Journal : Matter – DOI : Lien vers l’étude
La recherche a été soutenue par le Centre de l’Énergie Frontière du Département de l’Énergie des États-Unis – Hydrogène dans les Sciences de l’Énergie et de l’Information – et le Programme de Bourses de Recherche pour Étudiants Diplômés de la National Science Foundation.
L’article paraît dans la revue Matter. Aux côtés de Yildiz se trouvent Heejung W. Chung, première auteure de l’article et doctorante au MIT en DMSE ; Pjotrs Žguns, ancien postdoctorant en DMSE ; et Ju Li, professeur Carl Richard Soderberg de Génie Énergétique en NSE et DMSE.
Source : MIT
