Percée dans les conducteurs d'oxyde-ion à haute performance utilisant le rubidium
Des chercheurs ont découvert un matériau contenant du rubidium doté d'une conductivité et d'une stabilité exceptionnelles, ouvrant la voie à la prochaine génération de piles à combustible à oxyde solide
Le rubidium pourrait être le prochain acteur clé des conducteurs d'oxyde-ion. Des chercheurs de l'Institut des sciences de Tokyo ont découvert un conducteur ionique rare contenant du rubidium (Rb), le Rb₅BiMo₄O₁₆, dont la conductivité est exceptionnellement élevée. Identifiée par le biais d'un criblage informatique et d'expériences, sa performance supérieure découle d'une faible énergie d'activation et de caractéristiques structurelles telles qu'un grand volume libre et un mouvement tétraédrique. Sa stabilité dans diverses conditions ouvre une voie prometteuse pour les piles à combustible à oxyde solide et les technologies énergétiques propres.
Des oxydes stables et hautement conducteurs contenant du Rb ouvrent de nouvelles perspectives pour les conducteurs oxyde-ion durables.
Institute of Science Tokyo
Les conducteurs oxyde-ion permettent aux ions oxyde (O²-) d'être transportés dans les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), qui peuvent fonctionner avec divers combustibles autres que l'hydrogène, notamment le gaz naturel, le biogaz et même certains hydrocarbures liquides. Cette flexibilité les rend particulièrement utiles lors de la transition vers une économie de l'hydrogène. Si les SOFC présentent un potentiel de transformation du point de vue de la durabilité énergétique, leur adoption à grande échelle se heurte encore à des problèmes de coût, de durabilité et de plage de température de fonctionnement. Pour surmonter ces obstacles, il faut mettre au point de meilleurs conducteurs oxyde-ion, et les chercheurs du monde entier ne cessent d'essayer de nouveaux matériaux de compositions chimiques différentes. Le rubidium (Rb) pourrait-il être la clé des conducteurs oxyde-ion de haute performance ?
Une équipe de recherche de l'Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo), au Japon, dirigée par le professeur Masatomo Yashima du département de chimie de l'école des sciences, a entrepris de répondre à cette question. Ils ont exploré le potentiel inexploité du Rb en tant que prochaine avancée majeure dans la technologie des conducteurs d'oxyde-ion par le biais d'une approche systématique et complète. Leurs conclusions ont été publiées en ligne dans Chemistry of Materials le 2 février 2025.
Le Rb+ étant l'un des plus grands cations (après l'ion césium), les oxydes cristallins contenant du Rb devraient avoir un réseau et des volumes libres plus importants, ce qui pourrait réduire l'énergie d'activation pour la conductivité des oxydes et des ions. Partant de cette idée, les chercheurs ont d'abord effectué un criblage informatique de 475 oxydes contenant du Rb en utilisant des calculs d'énergie basés sur la valence des liaisons. Ils ont constaté que les oxydes de type palmierite, dont la structure cristalline est similaire à celle de la palmierite, un minéral naturel, présentaient une barrière énergétique relativement faible pour la migration des ions d'oxyde.
Étant donné que plusieurs matériaux contenant du bismuth (Bi) et des oxydes contenant du molybdène (Mo) présentaient une conductivité élevée des oxydes-ions dans des études antérieures, l'équipe a choisi le Rb5BiMo4O16 comme candidat prometteur. Pour valider leur choix, ils ont mené une série d'expériences, notamment la synthèse du matériau, des mesures de conductivité, des tests de stabilité chimique et électrique, ainsi que des analyses détaillées de la composition et de la structure cristalline. Ils ont également effectué des calculs théoriques et des simulations de dynamique moléculaire ab initio afin d'explorer les mécanismes sous-jacents aux propriétés mesurées.
Les résultats ont été très prometteurs. Comme le remarque Yashima, "de manière surprenante, le Rb5BiMo4O16 a présenté une conductivité oxyde-ion élevée de 0,14 mS/cm à 300 °C, soit 29 fois plus élevée que celle de la zircone stabilisée à l'yttrium à 300 °C et comparable aux principaux conducteurs oxyde-ion ayant des motifs tétraédriques similaires". Plusieurs facteurs ont été identifiés par l'équipe de recherche pour expliquer cette conductivité exceptionnelle de l'oxyde-ion. Tout d'abord, les gros atomes de Rb favorisent une faible énergie d'activation pour la conductivité des ions d'oxyde. Cette conductivité de l'ion oxyde est encore renforcée par la rotation et l'arrangement des tétraèdres MoO₄ dans le réseau cristallin. En outre, la grande vibration thermique anisotrope des atomes d'oxygène dans le matériau contribue également à la conductivité des ions d'oxyde. Enfin, la présence de cations Bi de grande taille avec une paire d'électrons solitaire joue également un rôle important dans la réduction de l'énergie d'activation pour la migration des ions d'oxyde.
Un autre aspect remarquable du Rb5BiMo4O16 est sa stabilité à haute température dans diverses conditions, notamment dans un flux deCO2, un flux d'air humide, un flux d'azote humide à 5 % d'hydrogène, et sa stabilité à environ 21 °C dans l'eau. "La découverte d'oxydes contenant du Rb et présentant à la fois une conductivité et une stabilité élevées pourrait ouvrir une nouvelle voie pour le développement de conducteurs oxyde-ion", commente Yashima. "Nous nous attendons à ce que ces progrès débouchent sur de nouvelles applications et de nouveaux marchés pour le Rb, et qu'ils contribuent à abaisser la température de fonctionnement et à réduire le coût des piles à combustible à oxyde solide".
La poursuite des recherches dans ce domaine pourrait ouvrir la voie à de meilleurs conducteurs oxyde-ion dans les applications énergétiques axées sur le développement durable, ainsi que dans des dispositifs tels que les membranes à oxygène, les capteurs de gaz et les catalyseurs.
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