Optimisation et caractérisation des propriétés de transport de nouveaux électrolytes céramiques pour pile à combustible conductrice protonique et anionique dérivés de Baln0. 8Ti0. 2O2. 6-n(OH)2n(BIT02)

par Angélique Jarry

Thèse de doctorat en Science des matériaux, Physico-chimie des solides

Sous la direction de Olivier Joubert et de Éric Quarez.

Soutenue en 2012

à Nantes , en partenariat avec Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques (autre partenaire) .


  • Résumé

    Un des challenges actuels concernant les électrolytes de type pérovskite pour H+-SOFC est d'être à la fois un bon conducteur ionique et stable chimiquement vis-à-vis du CO2. Un compromis est trouvé en alliant une basicité modérée pour éviter la décomposition du matériau et une symétrie cristallographique élevée pour faciliter la diffusion des protons ou des anions. De nombreuses phases préparées en substituant In et Ti par Zr, Ln ou Sc dans l’électrolyte BaIn0. 8Ti0. 2O2. 6-n ont permis de dégager et d’optimiser les critères nécessaires à l’obtention des propriétés souhaitées. Ainsi, les phases BaIn0. 6Ti0. 2Ln0. 2O2. 6-n avec Ln = Yb, Lu ou Dy et BaIn1-x-yTixZryO2. 6-n avec x+y ≤ 0. 2 répondent le mieux au cahier des charges. Elles affichent des conductivités protonique et anionique prometteuses, i. E σH+400°C ~1. 5 mS. Cm-1 et σO2-700°C ~10 mS. Cm-1 et une bonne stabilité chimique dans une atmosphère contenant 3% de CO2. Bien que l’existence de corrélations entre structure et propriétés de transport soit connue, une meilleure compréhension à un niveau atomique des mécanismes de conduction est nécessaire dans le but d’améliorer les performances de l’électrolyte. Dans cette étude, nous avons quantifié et localisé les oxygène et les protons et étudié leur diffusion lors de l’hydratation de BaIn0. 6Ti0. 2Yb0. 2O2. 6-n0. 4-n(OH)2n en combinant la diffraction des électrons, des rayons-X et des neutrons, la diffusion quasi-élastique des neutrons, la RMN, l’ATG et la spectroscopie IR. Une attention particulière a été portée sur la détermination structurale ainsi que sur la compréhension du mécanisme d’hydratation.

  • Titre traduit

    Optimization and characterization of transport properties of new electrolytes derivated from BaIn0. 6Ti0. 2O2. 6-n (OH)2s for H-SOFC


  • Résumé

    A major limitation of the perovskite type H+-SOFC electrolyte performance is the actual competition between a high level of ionic conductivity and a good stability in CO2 containing atmosphere. A compromise must be found between a low basicity to avoid decomposition by reaction with CO2 and a good proton and/or O2- diffusion associated with a high crystallographic symmetry. With an optimization of those key features, we expect to obtain the best conductivity/stability couple. Such strategies were carried out on BaIn0. 8Ti0. 2O2. 6-n(OH)2n by Zr,Ln,Sc→In,Ti substitutions, leading to BaIn0. 6Ln0. 2Ti0. 2O2. 6-n(OH)2n with Ln = Yb, Lu or Dy and BaIn1-x-yTixZryO2. 6-n with x+y ≤ 0. 2 for the best candidates. They demonstrate promising protonic and anionic conductivities respectively σH+400°C ~1. 5 mS. Cm-1 and σO2-700°C ~10 mS. Cm-1 and good chemical stability under 3% CO2 atmosphere. Even though the strong correlations between perovskite crystal phase and transport properties are well known, a better fundamental understanding at an atomic scale of conduction mechanisms is necessary to enhance the likelihood of tailoring electrolyte performance. In this work, we attempt to quantify and to localize the oxygen and proton species and to study their motions upon hydration in BaIn0. 6Yb0. 2Ti0. 2O2. 6-n(OH)2n by combining thermal X-ray, electron and neutron diffractions, neutron time-of-flight scattering data, MAS NMR, TGA and IR spectroscopy. A particular attention was paid on the structural determination as well as on hydration mechanism understanding.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (143 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Réf. bibliogr.

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