Thèse de doctorat : sciences des matériaux : Ecole centrale de Paris : 2009. Thèse de doctorat : sciences des matériaux : Chine : 2009. / Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 39 réf.

La membrane échangeuse de protons est un élément essentiel des piles à combustible. Elle permet le transfert des protons d’une électrode à l’autre pour produire de l’électricité. La conduction protonique des membranes actuelles est optimale vers 80°C et très sensible à l’eau. La conception de nouvelles membranes permettant le fonctionnement des piles à combustible à température ambiante et moins sensibles à l’eau est nécessaire. La solution proposée pendant ma thèse est de concevoir des microémulsions solidifiées conductrices de protons. Les microémulsions sont des mélanges liquides nanostructurés d’eau, d’huile et de tensioactifs à l’équilibre thermodynamique. Des microémulsions bicontinues, constituée de canaux d’eau et d’huile séparés par une monocouche de tensioactifs, formulées avec des tensioactifs conducteurs protoniques devraient avoir des propriétés intéressantes de conduction protonique. Il est ensuite nécessaire de solidifier les microémulsions obtenues pour pouvoir les utiliser comme membrane échangeuse de protons. Dans ce travail, la voie explorée consiste à utiliser une huile solide à température ambiante pour résoudre ce problème. Deux systèmes, contenant une huile solide à température ambiante et des tensioactifs conducteurs protoniques, ont été étudiés. Des microémulsions bicontinues sont ainsi préparées au-dessus du point de fusion de l’huile. Il s’agit ensuite de maîtriser comment un simple refroidissement permet d’obtenir des microémulsions solidifiées, matériaux solides avec la même structure que le liquide de départ. Cette étude a permis de mettre en évidence l’influence de la cristallisation sur la structure du matériau obtenu. / Proton-exchange membrane is an important part of fuel cells. It allows protons to move from one electrode to the other while producing energy. Proton conduction in current membranes is optimum at 80°C and very sensitive to water. It is therefore necessary to build new proton-exchange membranes to design fuel cells that are effective at ambient temperature and less water-sensitive.During my PhD, we intend to prepare solidified microemulsions as proton-exchange membranes. Microemulsions are nanostructured liquids composed of water, oil and surfactants at thermodynamic equilibrium. Bicontinuous microemulsions, made of water and oil channels separated by surfactants, obtained using proton conducting surfactants should have interesting proton conductivity. It is then necessary to solidify the obtained liquid to be able to use them as proton-exchange membrane. In this study, we use oil that is solid at room temperature to overcome this trouble. Two systems, with an oil solid at room temperature and proton-conducting surfactants, were studied. Bicontinuous microemulsions are prepared above the melting point of the oil. The point is then to understand how cooling down the liquid microemulsion allow to prepare a solidified microemulsion which is a solid with the same nanostructure as the initial liquid. This study highlights the influence of crystallization on nanostructure during cooling.

La pile à combustible H+-SOFC (Protonic Conducting Solid Oxide Fuel Cell) basée surl'utilisation d'un électrolyte conducteur protonique peut représenter une alternative intéressanteà la pile SOFC qui présente actuellement le meilleur rendement. Cependant, la surtension à lacathode reste élevée et ce travail est dédié à la compréhension du mécanisme de réductionl'oxygène à cette électrode.Différents matériaux conducteurs mixtes O2- / e- de structures dérivées de la perovskite ABO3,tels que les doubles perovskites LnBaM2O5+d (Ln = Pr, Nd et Gd et M = Co et Fe) ainsi que lesphases de Ruddlesden-Popper A2MO4+d (Ln = Pr et Sr et M = Ni), ont été étudiés. Leur niveaude conductivité électronique ainsi que leur non-stoechiométrie en oxygène ont d'abord étédéterminées. Puis, à l'aide de la détermination des coefficients de diffusion de l'oxygène par laméthode de relaxation de conductivité électrique, leur conductivité ionique O2- a été estimée.Une étude électrochimique et plus spécialement la détermination des étapes limitant la réactionde réduction de l'oxygène à la cathode de pile H+-SOFC a ensuite permis de démontrer le rôledu proton dans le mécanisme de réaction pour les matériaux présentant les meilleuresperformances électrochimiques.Enfin, dans le cadre d'un projet ANR HPAC 2009 " CONDOR ", des mono-cellules de piles H+-SOFC ont été mises en forme et des densités de puissance proche de 180 mW/cm² à 0.6 V à600°C ont été obtenues.

Ce travail de thèse présente les résultats obtenus lors de l'étude des mécanismes élémentaires à l'origine de la forte conduction protonique mesurée dans le cas de clathrates hydrates d'acides forts. Une méthodologie combinant diffusion neutronique, résonance magnétique nucléaire et simulation de dynamique moléculaire "ab-initio" a permis de modéliser les différents processus dynamiques impliqués, se produisant sur des temps allant de la nanoseconde à la femtoseconde. Le modèle proposé explique la forte conduction de ces systèmes aqueux par la délocalisation à longue distance de leurs protons résultant d'un mécanisme de type Grotthuss gouverné par la relaxation des molécules aqueuses environnant les protons en excès.

Cette thèse vise à étudier la diffusion protonique, et dans une moindre mesure ionique, au sein d’un matériau électrolyte pour pile à combustible BaCeO3 dopé Gd, en adoptant une démarche multi-échelle. Tout d’abord, des calculs ab initio ont été réalisés afin de déterminer les positions stables des défauts protoniques OH_O et des lacunes d’oxygène VO dans le matériau. Puis, en utilisant toujours le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité, les barrières d’énergies pour les deux types de défauts entre deux positions stables ont été calculées. Enfin, ces barrières ont été utilisées dans un algorithme de Monte-Carlo cinétique afin de simuler des trajectoires de protons et de lacunes d’oxygène. Cette méthode permet d’accéder à des grandeurs macroscopiques, accessibles expérimentalement, telles que l’énergie d’activation, le coefficient de diffusion ou la mobilité, en se basant uniquement sur des données atomiques issues de simulations ab initio. Le gadolinium semble être un dopant intéressant pour le cérate de barium au vu de son faible pouvoir attractif sur le proton : il permet ainsi la création de nombreuses lacunes d’oxygène, qui pourront incorporer des molécules d’eau, sans toutefois piéger l’hydrogène. Ces deux conditions sont nécessaires pour obtenir un bon électrolyte pour les oxides solides conducteurs de protons. / This thesis deals with the study of protonic diffusion, and to a lesser extent ionic, inside a Gd-doped BaCeO3, a possible electrolyte for fuel cell, using a multi-scale approach. First of all, first principles calculations have been made to determine stable positions for protonic defects OH_O and oxygen vacancies V O in the material. Then, using the same formalism of density functional theory, energy barriers for both kinds of defects have been computed between two stable positions. Finally, these barrier heights have been used in a Kinetic Monte-Carlo algorithm to simulate trajectories of protons or oxygen vacancies. This method allows to access macroscopic values that can be found by experiments, such as activation energy, diffusion coefficient or mobility, using only atomic data coming from ab initio simulations. Gadolinium seems to be an interesting dopant in barium cerate considering its weak power of attraction on the proton: the introduction of gadolinium creates lots of oxygen vacancies that will be able to incorporate water molecules, without trapping the hydrogen. Both these conditions are necessary to get a good electrolyte for protonic ceramic fuel cell.

Cette thèse porte sur l'étude des effets quantiques en dynamique moléculaire (DM). La DM est une méthode numérique qui permet l'étude des propriétés de la matière condensée. Cependant, la méthode étant basée sur la mécanique classique, les effets quantiques associés à la dynamique des noyaux, tels que l'énergie de point zéro ou l'effet tunnel, ne sont pas pris en compte. Ces effets quantiques nucléaires peuvent cependant jouer un rôle majeur, en particulier aux basses températures et/ou dans les systèmes contenant des atomes légers comme l'hydrogène. La dynamique moléculaire par intégrales de chemins (PIMD) est souvent utilisée, dans ce cas, pour tenir compte de la nature quantique des noyaux. Cette approche fournit des résultats quantiques exacts, mais son coût en temps de calcul élevé limite son domaine d'application. La méthode du bain thermique quantique (QTB) a été proposée comme une alternative à la PIMD. L'approche QTB est particulièrement intéressante car son coût en temps de calcul est équivalent à celui de la DM standard permettant ainsi l'étude de systèmes complexes et de plus grande taille.La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la méthode QTB. Nous avons étudié le comportement de la méthode sur différents systèmes modèles afin d'étudier ses limites. En particulier, le problème du "zero point energy leakage" est étudié en détail et nous montrons que l'augmentation du coefficient de friction du QTB permet de limiter ce problème. Nous avons également développé une combinaison de la méthode QTB avec la méthode PIMD. Cette méthode combinée QTB-PIMD permet de réduire le coût en temps de calcul des simulations PIMD standards.Dans une deuxième partie, nous avons utilisé ces méthodes pour étudier la conduction de l'hydrogène dans des matériaux pérovskites. Nous nous intéressons d'abord à l'impact des effets quantiques sur la diffusion de l'hydrogène dans BaZrO3, un matériau d'électrolyte potentiel pour piles à hydrogène. L'hydrogène étant l'élément le plus léger, un impact important des effets quantiques est attendu. Nous trouvons que les effets quantiques sont effectivement importants à basse température, mais leur impact sur la diffusion reste faible aux températures de fonctionnement typiques des piles à hydrogène. Enfin, nous avons étudié les mécanismes de diffusion de l'hydrogène dans GdBaCo2O5.5. Nous mettons en évidence une diffusion anisotrope dans ce matériau et deux mécanismes principaux de diffusion. / This thesis deals with the study of quantum effects in molecular dynamics (MD). MD is a powerful numerical method to investigate the properties of condensed matter systems. However, since the method is based on classical mechanics, quantum effects associated with the dynamics of the nuclei, such as zero-point energy or tunnelling, are not taken into account. These nuclear quantum effects can, however, play a major role in particular at low temperatures and/or in systems containing light atoms such as hydrogen. In these cases, a standard way to account for the quantum nature of the nuclei is to use path integral molecular dynamics (PIMD). This method provides exact quantum results however its high computational cost limits its range of applicability. The quantum thermal bath (QTB) method has been proposed as an alternative to PIMD. The QTB method is particularly appealing because of its computational cost that is equivalent to standard MD thus allowing to study large and complex systems.The first part of this thesis is devoted to the study of the QTB method. We have studied the behavior of the method in selected model systems in order to investigate its limitations. We have focused, in particular, on the zero-point energy leakage problem and found that increasing the friction coefficient of the QTB can significantly limit this problem. We also have developed another way to use the QTB method by combining it with PIMD. This combined QTB-PIMD method allows, in particular, to decrease the computational cost of standard PIMD simulations.In a second part, we have used these methods to study hydrogen conduction in perovskite materials. We have first investigated the impact of quantum effects on the diffusion of hydrogen in BaZrO3, a potential electrolyte material for hydrogen fuel cells. Since hydrogen is the lightest element, we expect quantum effects to have a significant impact on its dynamics. We find that quantum effects are indeed significant at low temperatures although their impact on the diffusion remains low at the typical working temperatures of hydrogen fuel cells. Finally, we have investigated the diffusion mechanisms of hydrogen in GdBaCo2O5.5. We evidence that the diffusion is anisotropic in this material and two main diffusion mechanisms.

Ce travail de thèse présente les résultats obtenus lors de l'étude des mécanismes élémentaires à l'origine de la forte conduction protonique mesurée dans le cas de clathrates hydrates d'acides forts. Une méthodologie combinant diffusion neutronique, résonance magnétique nucléaire et simulation de dynamique moléculaire "ab-initio" a permis de modéliser les différents processus dynamiques impliqués, se produisant sur des temps allant de la nanoseconde à la femtoseconde. Le modèle proposé explique la forte conduction de ces systèmes aqueux par la délocalisation à longue distance de leurs protons résultant d'un mécanisme de type Grotthuss gouverné par la relaxation des molécules aqueuses environnant les protons en excès. / This work shows the results obtain about the study of elementary mechanisms behind the high protonic conduction of strong acids clathrate hydrate. A method using quasiélastic neutron scattering and pulse field gradient NMR experiments both with DFT molecular dynamic simulations allowed to establish a model which describe the several dynamical processes involve occuring on timescales from nanosecond to femtosecond. The model deduced explain the high conduction property of ionic clathrate hydrate by a delocalization of their protons following a grotthuss type mecanism managed by the relaxation of water molecules around the excess protons.

Cette thèse vise à étudier la diffusion protonique, et dans une moindre mesure ionique, au sein d'un matériau électrolyte pour pile à combustible BaCeO3 dopé Gd, en adoptant une démarche multi-échelle. Tout d'abord, des calculs ab initio ont été réalisés afin de déterminer les positions stables des défauts protoniques OH_O et des lacunes d'oxygène VO dans le matériau. Puis, en utilisant toujours le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité, les barrières d'énergies pour les deux types de défauts entre deux positions stables ont été calculées. Enfin, ces barrières ont été utilisées dans un algorithme de Monte-Carlo cinétique afin de simuler des trajectoires de protons et de lacunes d'oxygène. Cette méthode permet d'accéder à des grandeurs macroscopiques, accessibles expérimentalement, telles que l'énergie d'activation, le coefficient de diffusion ou la mobilité, en se basant uniquement sur des données atomiques issues de simulations ab initio. Le gadolinium semble être un dopant intéressant pour le cérate de barium au vu de son faible pouvoir attractif sur le proton : il permet ainsi la création de nombreuses lacunes d'oxygène, qui pourront incorporer des molécules d'eau, sans toutefois piéger l'hydrogène. Ces deux conditions sont nécessaires pour obtenir un bon électrolyte pour les oxides solides conducteurs de protons.

La thèse est orientée à la production d'une membrane proton conductrice pour la pile à combustible à membrane proton électrolyte (PEMFC) comme un but principal. L'originalité et le challenge de l'élaboration de la membrane consistent en procédure multi-étape : commencer avec la synthèse de l'unité simple – un monomère ionique, continuer avec la polymérisation et l'estimation générale de performance en échelle de laboratoire de polymère ; et finir avec la production des matériaux en échelle industrielle et tester en conditions réelles. Toutes les étapes, sauf la dernière, sont étudiées en détail. Premièrement, beaucoup d'attention est portée à la description du protocole de production et purification de monomères ioniques. C'est à cause de la complexité des interactions ioniques dans un système ‘produit-solvant' et dû à l'exigence principale pour la haute pureté du monomère que la synthèse et traitement attentifs des monomères doivent être faits. En total, trois nouveaux monomères, portants les chaines acides perfluorosulfoniques, sont proposés. Ensuite, plusieurs réactions de polymérisation avec les différents monomères non-ioniques commerciaux sont décrites. Deux familles différentes des membranes proton conductrices sont décrites : poly(arylene ether)s (PAEs) statistiques et poly(arylene ether sulfone)s statistiques et en bloc. Elles sont synthétisées en séries de CEI différentes pour pouvoir suivre l'impact du groupe ionique sur les propriétés des matériaux. De plus, la nouvelle structure d'ionomère est proposée, où le copolymère à bloc contient le bloc hydrophile, synthétisé de deux monomères, portants les groupes perfluorosulfoniques (PFSA). Ça permet d'approcher au maximum les groupes latéraux superacides le long de la chaîne, ce qui, le plus probablement, contribue vers la meilleur organisation t interaction entre les sites ioniques. Pour la caractérisation suivante des nouveaux polymères ils sont coulés en membranes par la méthode de coulée-évaporation de ses solutions en dimethylacétamide (DMAc). Influence de la température du processus est décrite brièvement. Les membranes de différentes séries sont comparées entre eux-mêmes et à Nafion comme le matériau de référence. C'est connu que Nafion acquiert sa haute performance dû à : i) présence du groupe latéral superacide PFSA et ii) organisation des chaînes de polymère aux domaines bien séparés de conducteurs de protons (hydrophiles) et stables mécaniquement (hydrophobes). Par contre, la production de ce matériau contient les procédures dangereuses et chères de manipulation avec les gases fluorés, car cet ionomère contient une chaîne de base de Teflon. De plus, la température de transition de squelette perfluorée est plus basse que la température de fonctionnement de ionomère dans PEMFC. Les nouveaux ionomères sont ensuite caractérisés pour les propriétés thermo-mécaniques, stabilité, conductivité, morphologie. Ils montrent : i) hautes températures de transitions, ce qui permet l'utilisation de ces polymères aux conditions de la fonctionnement de PEMFC ; ii) le phénomène de la séparation de phases, ce qui propose les matériaux d'avoir la morphologie avec les domaines bien définis pour la conduction des protons, iii) la structuration avec une organisation importante, ce qui est rare d'apercevoir pour les matériaux aromatiques ; iv) haute conductivité protonique même à l'humidité réduite pour plusieurs séries des polymères proposées. Par conséquent, les matériaux montrent la performance prometteuse, ce qui doit être vérifiée aux conditions réelles de la pile à combustible. De plus, ce travail est innovant par la procédure de production des ionomères, c'est pourquoi plus des différentes séries des polymères sont prévues à être synthètisées à partir des monomères ioniques proposés ici. La variation des monomères ioniques peut être élargie aussi par changement de PFSA groupes aux perfluorosulfonimides. / The current work is directed to production of a proton conducting membrane for a proton electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) as a main goal. The originality and the challenge of the membrane elaboration lie in the multi-step procedure: starting with the synthesis of a simple unit – an ionic monomer, continuing with polymerization and overall estimation of the polymer performance at laboratory scale, and ending with production of the required material of industrial quantity and testing in real conditions. All the steps, except the last one, are explicitly studied. Firstly, much attention in the dissertation is paid to description of a protocol for production and purification of the ionic monomers. It is due to complexity of ionic interactions in a system ‘product-solvent' and due to the main requirement of high purity for a monomer that attentive synthesis and treatment of the monomers must be provided. In total three new monomers, bearing perfluorosulfonic acid chains, are reported. Then, a number of polymerization reactions with different commercial non-ionic monomers are proposed. Two main families of proton conducting ionomers are described: random poly(arylene ether)s (PAEs) and poly(arylene ether sulfone)s (PAESs), both random and block-copolymers. They are synthesized in series of different IEC in order to follow the impact of the ionic group to the properties of the material. Additionally, a new structure of the ionomer is proposed, where the block-copolymer contains a hydrophilic block, synthesized from two monomers, bearing perfluorosulfonic acid (PFSA) groups. It allows maximally approximating the superacid lateral groups along the polymer chain that, most probably, contributes to better organization and interaction between the ionic sites. For further characterization of the novel polymers, they are cast to membranes by casting-evaporation method from their solutions in dimethylacetamide (DMAc). The influence of production temperature is described briefly. The membranes of different series are compared between each other and to Nafion as a reference material. It is known that Nafion acquires its high performance due to: i) presence of superacid PFSA lateral groups, and ii) organization of polymer chains into well-separated proton-conductive (hydrophilic) and mechanically stable (hydrophobic) domains. However, production of this material comprises dangerous and expensive procedures of manipulation with fluorinated gases, since this ionomer contains a Teflon-type backbone. Moreover, transition temperature of the perfluorinated main chain is lower, than the required temperature of the ionomer functioning in a PEMFC. The novel ionomers are further characterized in terms of thermo-mechanical properties, stability, conductivity, bulk morphology. They exhibit: i) high transition temperatures, which allows utilization of these polymers at conditions of a PEMFC functioning; ii) phase separation phenomenon, which suggests the materials to have morphology with distinct domains for proton conduction, iii) highly organized structuring, which is rare to clearly evidence on aromatic materials; iv) high proton conductivity for several polymer series, which over-perform Nafion even at reduced humidity. Based on these results, some of the synthesized materials are considered to be promising in a PEMFC, but further study in real conditions must be provided. Additionally, the current work is pioneering in the way of production of the ionomers, therefore, more different series of polymers are previewed to be synthesized out of the ionic monomers, proposed here. Variety of the ionic monomers may be enlarged as well by changing the PFSA groups to perfluorosulfonimide ones or by searching for other fluorinated commercial materials that might be modified into monomers with two functional groups for polycondensation. Thus, the main objectives, set for the current work, are fulfilled.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement des piles à combustible à céramique conductrice protonique (PCFC) opérant dans le domaine de température 400 – 600 °C et concerne l'optimisation des composants de la cellule élémentaire. L'optimisation du matériau électrolytique consiste à rechercher le meilleur compromis entre stabilité chimique et conductivité élevée. Le matériau BaCe0.9Y0.1O2.95, synthétisé par la voie flash combustion, présente la conductivité protonique la plus élevée (10-2 S.cm-1 à 600 °C) mais réagit fortement avec le CO2. La substitution partielle du cérium par le zirconium (BCZY) et le niobium (BCYN30) a conduit à une amélioration significative de la stabilité chimique tout en conservant une conductivité de l'ordre de 5 × 10-3 S.cm-1 à 600 °C. En ce qui concerne les électrodes, l'enjeu est de développer des matériaux présentant une conductivité électronique élevée, une porosité suffisamment importante et une bonne tenue mécanique. L'approche a consisté en la mise au point de stratégies d'élaboration (synthèse en une étape, utilisation de porogène) permettant le contrôle de la microstructure des matériaux anodiques afin de minimiser les résistances spécifiques surfaciques (ASR). Comme dans le cas des SOFC, les matériaux cathodiques sont conducteurs mixtes ionique-électronique (MIEC). Le développement de cathodes composites MIEC-électrolyte a permis de réduire significativement les ASR. Les tests en pile de cellules élémentaires PCFC ont révélé que les performances dépendaient essentiellement de la nature et de l'épaisseur du matériau électrolytique et de la mise en œuvre de matériaux d'électrode de morphologie contrôlée et architecturée. L'optimisation des assemblages a permis d'accroître sensiblement les performances (156 mW.cm-2 à 600 °C). / Materials components for a Proton Conducting Fuel Cell (PCFC) operating in the 400 – 600 °C temperature range have been optimised. Electrolyte material optimisation involved finding the best compromise between chemical stability and conductivity. BaCe0.9Y0.1O2.95, synthesised by flash combustion, exhibits the highest protonic conductivity (10-2 S.cm-1 at 600 °C) but reacts strongly with CO2. Partial substitution of cerium by zirconium (BCZY) and niobium (BCYN30) led to a significant improvement of the chemical stability without drastic effect on the conductivity (5 × 10-3 S.cm-1 at 600 °C). The aim for the electrodes is to develop materials which exhibit high electronic conductivity, sufficient degree of porosity and good mechanical properties. The approach comprised the development of elaboration strategies (one-step synthesis, use of porogen) that allow the control of microstructure in order to minimize area specific resistances (ASR) at the anode. As in the case of SOFCs, cathodic materials are mixed ionic-electronic conductors (MIEC). Development of composite cathodes MIEC-electrolyte led to a significant reduction of ASR. PCFC single cell tests showed that performance was mostly dependent on electrolyte thickness and composition, and on the characteristics of nanostructured electrodes with controlled architecture and porosity. Optimisation of assemblies led to fuel cells performances of 156 mW.cm-2 at 600 °C.