Synthèse des matériaux de cathode et d’électrolyte pour la réalisation d'une demi-pile à combustible de conduction protonique PCFC.

Abstract

Dans ce mémoire, nous avons mis l’accent sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux composés d’oxydes pour piles à combustible à conduction protonique. Les matériaux de cathode de type pérovskite Sr1-x MxFe0.95Y0.05O3±δ dopés par divers cations (Ba2+, Bi3+, Ca2+, Ni2+) avec x = 0 et 0.1, ainsi que les électrolytes de type pérovskite Ba0.8Sr0.2Ce1-xMxO3±δ dopés par Ti4+, Zr4+ et Y3+, avec x = 0 et 0.05 sont élaborées par la méthode sol-gel. Les échantillons ont été caractérisés par la diffraction des rayons X (DRX) et des mesures électrochimiques à température ambiante. Les diagrammes de DRX de la série de cathode Sr1-x MxFe0.95Y0.05O3±δ ont affinés et indexés dans le système tétragonal de groupe d’espace I4/mmm. Les résultats ont attesté sur une présence majoritaire de la phase principale SrFeO3±δ et quelques traces de phases secondaires Sr₃Fe₂O₇±δ. La fraction volumique la plus élevée de notre phase est de 98.20 % enregistrait pour un dopage en Ni2+ de 0.1. Les diagrammes de DRX de la série d’électrolyte Ba0.8Sr0.2Ce1-xMxO3±δ sont affinés et indexés dans le système cubique de groupe d’espace Pm-3m. Les résultats ont attesté sur une présence majoritaire de la phase principale BaCeO₃±δ surtout dans l’échantillon dopé en Y3+ (x=0.05) avec la proportion la plus élevée de 98.54%. Des phases secondaires telles que SrCeO3 et CeO2 sont détectées sous forme de trace. Les analyses électrochimiques ont mis en évidence une amélioration significative des performances des électrodes dopées par rapport au matériau non dopé. Les mesures de voltampérométrie cyclique ont révélé une intensité de courant plus élevée et une meilleure réversibilité redox pour les électrodes dopées au Ba2+ et Ni2+ (x=0.1). La spectroscopie d’impédance électrochimique a montré une nette réduction de l’impédance, en particulier à basse fréquence (0.01 Hz) pour les échantillons dopés au Ni2+ et Ba2+ traduisant une meilleure cinétique de transfert de charge. Les courbes de Mott-Schottky des échantillons cathodiques ont révélé sur un comportement semi-conducteur de type P avec une densité de porteurs de charge plus élevée et un potentiel de bande plate (VFB) plus faible dans les échantillons dopés, traduisant une meilleure conductivité électronique. Enfin, les mesures de chronopotentiométrie et de Tafel ont démontré une stabilité accrue et une résistance à la corrosion améliorée, notamment pour l’électrode dopé au Ni (x=0.1). En plus de la synthèse des matériaux de cathode et d’électrolyte, des demi-piles symétrique Cathode/Electrolyte/Cathode ont été réalisées par le dépôt d’un mélange d’encre noire cathodique Sr0.9BaxFe0.95Y0.05O3±δ sur les deux faces des pastilles d’électrolytes par spin coating.