Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) pourraient un jour équiper une nouvelle génération d'automobiles ne rejetant que de l'eau. Pour cela, il faudrait remplacer la membrane perfluorée et sulfonée actuelle (Nafion®) par un matériau plus performant en termes de coût, d'impact environnemental et de tenue mécanique (au-delà de 80°C). Les alternatives au Nafion®, comme le sPEEK (polyéther-éther-cétone sulfoné), possèdent d'excellentes propriétés mécaniques mais souffrent d'une plus courte durée de vie et de performances moindres. Malgré d'excellentes propriétés thermomécaniques, le sPEEK est en effet oxydé dans la pile en fonctionnement, ce qui réduit drastiquement sa durée de vie à quelques centaines d'heures (au lieu de dizaines de milliers d'heures pour le Nafion®).
Aussi les chercheurs de l'Irig ont-ils choisi le sPEEK pour évaluer rapidement leur stratégie de stabilisation chimique des membranes. Ils ont développé une phase sol-gel à base de MPTS (3-mercaptopropyl)triméthoxysilane) au sein de membranes sPEEK afin qu'elle protège ses hôtes contre les espèces oxydantes générées au cours du fonctionnement de la pile.
Les scientifiques ont étudié la structure complexe de ces nouvelles membranes hybrides en corrélation avec leurs propriétés fonctionnelles et leur durabilité. Ils ont observé les nanostructures à des échelles du nm à la centaine de nm, en combinant microscopie à force atomique 3D (AFM), microscopie électronique à balayage à faisceau d'ions focalisés (3D FIB-SEM), diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) et diffusion de rayons X aux grands angles (WAXS).
Les images AFM montrent que la phase sol-gel est distribuée en grands domaines sphériques dont le diamètre varie de 100 à 200 nm selon la teneur en sol-gel. Les nanoparticules de sol-gel se développent vraisemblablement dans des espaces peu denses (interbundles) de la membrane sPEEK hôte. Les résultats de SANS révèlent que la phase sol-gel a une organisation hiérarchique et que les « canaux ioniques » sont seulement comprimés par l'insertion de la phase sol-gel ce qui permet de préserver la conduction ionique du sPEEK.
Cette étude multi-échelle a permis de préciser la localisation de la phase sol-gel associée à une stabilisation chimique de la membrane.
Ces travaux se poursuivent par le développement d'une phase sol-gel stabilisante et régénérative, une voie très prometteuse pour accroître la durée de vie des membranes.
Les expériences de diffusion de neutrons ont été réalisées à l'Institut Laue-Langevin (sur la ligne D22), à Grenoble.