21.07.2022 - Tokyo University of Science

Nouveau complexe de porteurs de protons multiples comme conducteur de protons efficace à haute température

Les chercheurs développent un complexe de ruthénium (III) hautement symétrique avec six groupes imidazole-imidazolate pour une conduction efficace des protons à haute température dans les piles à combustible.

Alors que le monde s'oriente vers des sources d'énergie plus respectueuses de l'environnement et plus durables, les piles à combustible font l'objet d'une grande attention. Le principal avantage des piles à combustible est qu'elles utilisent l'hydrogène, un combustible propre, et ne produisent que de l'eau comme sous-produit tout en générant de l'électricité. Cette nouvelle source d'électricité propre pourrait remplacer les batteries lithium-ion classiques, qui alimentent actuellement tous les appareils électroniques modernes.

La plupart des piles à combustible utilisent une membrane Nafion - une membrane ionique à base de polymère synthétique - qui sert d'électrolyte solide conducteur de protons à base d'eau. L'utilisation de l'eau comme milieu de conduction des protons crée toutefois un inconvénient majeur pour la pile à combustible, à savoir l'incapacité de fonctionner correctement à des températures supérieures à 100 ֯ C, température à laquelle l'eau commence à bouillir, ce qui entraîne une baisse de la conductivité des protons. Il est donc nécessaire de trouver de nouveaux conducteurs de protons capables de transférer efficacement les protons même à des températures aussi élevées.

Lors d'une récente percée, une équipe de chercheurs du Japon, dirigée par le professeur Makoto Tadokoro de l'Université des sciences de Tokyo (TUS), a présenté un nouveau conducteur de protons à haute température basé sur un complexe métallique imidazole-imidazolate qui présente une conductivité efficace des protons même à 147°C (Fig.1). L'équipe de recherche comprenait le Dr Fumiya Kobayashi de TUS, le Dr Tomoyuki Akutagawa et le Dr Norihisa Hoshino de l'Université Tohoku, le Dr Hajime Kamebuchi de l'Université Nihon, le Dr Motohiro Mizuno de l'Université Kanazawa et le Dr Jun Miyazaki de l'Université Denki de Tokyo. "L'imidazole, un composé organique contenant de l'azote, a gagné en popularité en tant que conducteur de protons alternatif pour sa capacité à fonctionner même sans eau. Cependant, il présente un taux de transfert de protons plus faible que le Nafion utilisé de manière conventionnelle et fond à 120°C. Pour surmonter ces problèmes, nous avons introduit six groupements imidazole dans un ion ruthénium (III) afin de concevoir un nouveau complexemétallique qui fonctionne comme un transporteur de protons multiples et présente une stabilité à haute température", explique Prof. Tadokoro lorsqu'on lui demande la raison de leur étude.

L'équipe a conçu une nouvelle molécule dans laquelle trois groupes imidazole (HIm) et trois groupes imidazolate (Im-) étaient attachés à un ion central de ruthénium (III) (Ru3+). Le monocristal moléculaire résultant était hautement symétrique et ressemblait à une forme d'étoile. En étudiant la conductivité protonique de ce complexe métallique en étoile, l'équipe a découvert que chacun des six groupes imidazole attachés à l'ion Ru3+ agit comme un émetteur de protons. Cela rendait la molécule 6 fois plus puissante que les molécules HIm individuelles, qui ne pouvaient transporter qu'un proton à la fois.

L'équipe a également exploré le mécanisme qui sous-tend la capacité de conduction des protons à haute température des molécules starburst. Ils ont découvert qu'à une température supérieure à -70°C, la conductivité protonique résultait de rotations individuelles localisées des groupes HIm et Im- et du saut des protons vers d'autres complexes Ru(III) dans le cristal via des liaisons hydrogène. Cependant, à des températures supérieures à 147°C, la conductivité protonique provient de la rotation de la molécule entière, qui est également responsable de la conductivité protonique supérieure à haute température. Cette rotation, confirmée par l'équipe à l'aide d'une technique appelée "spectroscopie 2H-NMRà l'état solide", a entraîné un taux de conductivité trois ordres de grandeur plus élevé = 3,08 × 10-5 S/cm) que celui des molécules HIm individuelles = 10-8 S/cm).

L'équipe estime que son étude pourrait servir de nouveau principe directeur pour les électrolytes solides conducteurs de protons. Les connaissances issues de leur nouvelle conception moléculaire pourraient être utilisées pour développer de nouveaux conducteurs de protons à haute température ainsi que pour améliorer la fonctionnalité des conducteurs existants. " Les piles à combustible sont la clé d'un avenir plus propre et plus vert. Notre étude offre une feuille de route pour améliorer les performances de ces ressources énergétiques neutres en carbone à haute température en concevant et en mettant en œuvre des conducteurs de protons moléculaires capables de transférer efficacement des protons à de telles températures", conclut le professeur Tadokoro.

Espérons que nous ne sommes pas trop loin d'un avenir fondé sur les piles à combustible et l'énergie propre.

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