Mécanisme de Conduction dans des membranes Conductrices Protoniques Hybrides – MéConPrHy

Ce projet de recherche fondamentale s'inscrit dans la compréhension des mécanismes de conduction dans des membranes à conduction protonique via la synthèse de membranes nanostructurées. La compréhension des relations structure-propriétés de transport et leur contrôle sont unanimement reconnues comme la clef pour le développement de nouvelles membranes à conduction protonique qui peuvent trouver des applications dans le domaine de l’électrolyse, de l’électrodialyse, du traitement des effluents et des piles à combustible. L’originalité de notre étude porte sur la mise au point de techniques de caractérisation performantes et in situ, associées à des modélisations pertinentes, pour élucider les mécanismes de transport/transfert au sein d'une part, de membranes modèles classiques type Nafion et d'autre part, de membranes modèles hybrides mésostructurées synthétisées dans le cadre du projet. Ces dernières présentent l'avantage d'une meilleure maîtrise structurale et fonctionnelle.
De nombreuses recherches ont été menées, depuis quelques années, sur le développement de membranes à conduction protonique comme en témoigne les programmes lancés en France dans le cadre de PRI ou d'ANR. En général, les projets qui ont été menés se sont situés principalement au niveau de la mise au point de nouveaux films organiques dont le comportement se rapprochait de celui du Nafion en essayant d'obtenir des matériaux moins couteux et plus performants. Ces membranes ont été caractérisées essentiellement à l'aide de méthodes d'analyse conventionnelles, faiblement résolues au niveau temporel et spatial, et reposant principalement sur des mesures de type "pile à combustible". Ainsi, il en résulte des difficultés de compréhension des différents mécanismes électrochimiques/physicochimiques qui se déroulent au sein de ces membranes ou à leurs interfaces qui ne permettent pas d'améliorer d'une manière significative les performances de ces films. Notre objectif sera donc de comprendre les mécanismes de transport au sein de la membrane et de transfert aux interfaces en mettant en œuvre des méthodes d'investigations plus pertinentes associées à des modélisations de type cinétique. Par ailleurs, ces membranes, structurées à différentes échelles, s’avèrent efficaces et peu chères. Parce que ce programme porte sur le développement de techniques de caractérisation originales et l’utilisation de membranes modèles, classiques ou hybrides, nous demandons un financement auprès de l’ANR-Blanche.
Dans le projet que nous proposons, il s'agira de développer des méthodes d'investigation originales afin d’étudier et de comprendre les mécanismes de transport/transfert au sein de ces membranes classiques ou hybrides organique/inorganique. En effet, le transport/transfert des protons dans ces systèmes multi-échelles est complexe et étroitement lié à l’échelle de temps d’observation. L’identification des mécanismes de transport dans le volume et de transfert aux interfaces se fera par différents couplages, en particulier, i) électrochimie/angle de contact, ii) SECM/électrogravimétrie, iii) AFM / infrarouge, iV) électroacoustique/électrochimie. L'aspect cinétique, associé à des modèles pertinents, sera largement étudié à l'échelle macroscopique et locale. Ces résultats seront confrontés aux caractérisations structurales, microstructurales, de sorption et de RMN à gradient de champ pulsé pour définir au mieux les mécanismes de transport dans ces membranes et de transfert aux interfaces. Nous essaierons d'établir les liens principaux qui existent entre le transport des différentes espèces et la structure, le transfert ionique et la dynamique du solvant, etc…