Recherche exploratoire de nouveaux matériaux d'électrolyte pour piles à combustible et électrolyseurs à oxyde solide (SOFC et SOEC)

Search for alternative materials for solid oxide fuel cells : syntheses and characterizations of oxyborates

• Auteur / Autrice : Jean-Marie Doux
• Direction : Olivier Joubert, Éric Quarez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2017
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : 3M - Matières, Molécules et Matériaux (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire
• Jury : Président / Présidente : Florent Boucher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Thomas, Christine Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Recherche

Piles à combustible

Conduction ionique

Mots clés libres

XPS

DFT

SOFC

Résumé

Ces travaux portent sur la recherche de matériaux alternatifs d’électrolyte ou d’électrodes de piles à combustible à oxyde solide. Une méthodologie basée sur la composition de l’oxyborate La26O27(BO3)8, développé à l’IMN, a permis de mettre en évidence deux matériaux prometteurs : Ba3Ti3O6(BO3)2 et K3Sb4O10(BO3). La synthèse de poudres de Ba3Ti3O6(BO3)2 et de phases substituées sur les sites du Ba ou du Ti ont été réalisés par voie solide à 950 °C. Les mesures de conductivité ont été effectuées par EIS sur des échantillons denses (compacité ≥ 90 %). Sous air, la conductivité est purement anionique et dépasse 10-4 S.cm-1 à 700 °C. Elle augmente pour les composés substitués par un élément de valence supérieure, et inversement. Sous atmosphère hydrogénée, une forte augmentation de conductivité est observée (x 200), liée à l’apparition d’une contribution électronique. Une étude couplant DRX, XPS et ATG montre que cette contribution est due à une réduction de 5 % du Ti4+ en Ti3+ et que cette réaction est réversible. Les calculs DFT ont permis de déterminer les énergies de formation et de migration des défauts dans le matériau. L’oxyborate K3Sb4O10(BO3) a été obtenu sous forme de monocristaux et de poudre. Une étude approfondie de la densification a été nécessaire afin d’obtenir des échantillons denses (compacité ≈ 90 %), en utilisant un broyage planétaire et/ou une aide au frittage. La conductivité du matériau sous air est de l’ordre de 10-3 S.cm-1 à 700 °C. Ces travaux mettent en évidence pour la première fois des niveaux de conductivité (ioniques et/ou électroniques) importants dans les oxyborates. Cette approche peut être appliquée à la recherche de matériaux alternatifs pour SOFC.

This work focuses on the search for alternative electrolyte or electrodes materials for solid oxide fuel cells. A methodology based on the composition of the La26O27(BO3)8 oxyborate, developed at the IMN, revealed two promising materials: Ba3Ti3O6(BO3)2 and K3Sb4O10(BO3). Syntheses of powders of Ba3Ti3O6(BO3)2 and substituted phases on the Ba or Ti atomic site were carried out by solid state reaction at 950 °C. Conductivity measurements were carried out by electrochemical impedance spectroscopy on dense samples (relative density ≥ 90 %). Under air, the conductivity is purely anionic and exceeds 10-4 S.cm-1 at 700 °C. Conductivity increases for compounds substituted with a supervalent element, and vice versa. In a hydrogen containing atmosphere, a large increase of conductivity is observed (x 200), linked to the appearance of an electronic contribution. A study combining XRD, XPS and TGA shows that this contribution is due to the reduction of 5 % of the Ti4+ in Ti3+ and that this reaction is reversible. DFT calculations allowed to determine the formation energies and the migration barriers of the defects in the material. K3Sb4O10(BO3) oxyborate was obtained as single crystals and powder. A thorough study of the densification of the material was necessary in order to obtain dense samples (relative density ≈ 90 %), using ball milling and/or sintering aid. The conductivity of the material in air is about 10-3 S.cm-1 at 700 °C. This work highlights significant conductivity levels (ionic and/or electronic) observed for the first time in oxyborates. This approach can be applied to find alternative materials for SOFC.