IDEA-MAT — Diffusion et échange ionique pour le design de matériaux avancés pour l'énergie

Le projet IDEA-MAT “Diffusion et échange ionique pour le design de matériaux avancés pour l'énergie” a pour objectif de guider la recherche de nouveaux conducteurs mixtes ioniques et électroniques avec des propriétés de transport accrues, utilisés dans les Cellules à Oxydes Solides (SOC) pour la production d’énergie plus propres et durable. Alors que la recherche de nouveaux matériaux est souvent empirique, nous nous envisgeons ici de combiner et développer plusieurs techniques expérimentales et de modélisation afin d’identifier les paramètres clefs pour l’élaboration de matériaux plus performants. La plupart des appels à projet sur les SOC concerne l’élaboration de systèmes et leur durabilité. Ici, nous proposons une approche fondamentale qui pourrait avoir un impact considérable pour l’application visée et pour la communauté scientifique sur l’application. En combinant et développant des techniques de diffusion ionique, de diffraction et diffusion totale des neutrons avec la simulation, notre objectif est d’identifier les paramètres clefs qui gouvernent la diffusion des ions oxyde et celle des protons dans le but de proposer des stratégies pour le design de nouveaux matériaux d’électrode avec des propriétés accrues. En parallèle au développement d’outils de caractérisation robustes pour la détermination des paramètres de transport dans des matériaux d’électrode, de nouvelles compositions de structures lamellaires seront explorées avec un accent particulier mis sur la diffusion des protons, un sujet qui n’est que très rarement étudié. Le projet est nouveau et repose sur un consortium unique aux compétences complémentaires.- Partenaire 1 – UCCS (Unité de Catalyse et de Chimie du Solide, Lille, axe « Chimie du Solide », équipe « Matériaux Oxyde pour l’Energie ») : coordination du projet, échange d’oxygène avec 18O et H218O, analyse de l’extrême surface d’oxyde par LEIS, Low Energy Ion Scattering, élaboration de films minces, diffraction des rayons X in situ sous atmosphère contrôlée ; - Partenaire 2 – SCR (Sciences Chimiques de Rennes, équipe “Chimie du Solide et Matériaux”) : synthèse d’oxydes, diffraction des neutrons sous atmosphère contrôlée à haute température et utilisation de la Méthode du Maximum d’Entropie et de la PDF pour l’identification de chemins de diffusion des ions oxyde et éventuellement des protons ;- Partenaire 3 – SPMS (Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides, Ecole Centrale Paris) : détermination de la stœchiométrie en oxygène, relaxation de la conductivité électrique, détermination des mécanismes de diffusion par dynamique moléculaire ;- Partenaire 4 – CEA (Service de Physique de la Matière Condensée, CEA-DAM-IdF) : calcul ab-initio de la diffusion et de l’échange en surface de l’oxygène et de l’hydrogène. La combinaison de techniques telles que l’échange isotopique (UCCS), la relaxation (SPMS), l’analyse précise de la surface (UCCS) et du cœur du matériau (SCR), et la modélisation (SPMS/CEA) permettra la description du transport de l’oxygène de l’échelle macroscopique à l’échelle atomique. Dans la mesure où la technologie des piles à combustible de type PCFC (Proton Ceramic Fuel Cell) apparaît comme très prometteuse, l’application de ces techniques sera étendue à la caractérisation de la diffusion protonique dans des cathodes de PCFC. L’étude portera sur des oxydes de structure lamellaire qui s’avèrent prometteurs du fait que la double fonctionnalité électronique/ionique peut être contrôlée par la composition des couches. 3 types de composés seront étudiés : 1) Ca3Co4O9 mis en évidence comme un matériau de cathode prometteur à l’UCCS, 2) des cobaltites de structure double perovskite et de formulation Re2-xSrxCoO4+d, prometteuses comme matériaux de cathode pour PCFC dans lesquelles la diffusion des protons a été très peu étudiée, 3) des manganites de structure Ruddlesden-Popper (RP) (Ln,Sr)n+1(Mn1-xCr)nO3n+1-d (n = 1, 2) substituées au chrome, comme anodes innovantes de SOFC.