L'autoroute des protons : Les matériaux destinés au traitement de l’hydrogène sous la loupe
Dübendorf, 07.08.2026 — Pour produire et utiliser l’hydrogène vert de manière plus efficace, il faut de meilleurs matériaux – par exemple des membranes robustes en céramiques spéciales, capables d’absorber et de conduire les protons. Une équipe de recherche internationale dirigée par l’Empa souhaite élucider les principes fondamentaux du transport des protons dans ces matériaux à l’aide de nouvelles méthodes. Le projet est soutenu par le Fonds national suisse (FNS) dans le cadre de la procédure « External Lead Agency ».
L’hydrogène est un vecteur énergétique durable. L’hydrogène « vert », c’est-à-dire produit à partir d’énergies renouvelables, peut être utilisé comme moyen de stockage d’énergie et comme carburant. Pour rendre sa production et son utilisation plus efficaces, plus durables et moins coûteuses, de nouveaux matériaux sont nécessaires. Ainsi, les membranes utilisées dans les piles à combustible et les électrolyseurs jouent un rôle déterminant dans l’efficacité de ces appareils. Ces membranes sont souvent fabriquées à partir de céramiques spéciales.
On ne comprend pas encore entièrement comment le comportement des ions hydrogène – les protons – dans les membranes céramiques est lié à la structure de ces matériaux. Dans le cadre d’un projet financé par le Fonds national suisse (FNS), des chercheurs de l’Empa dirigés par Artur Braun, chef de groupe au laboratoire des céramiques haute performance, souhaitent se pencher sur cette question en collaboration avec des partenaires de recherche internationaux.
Artur Braun et son équipe travaillent depuis déjà 20 ans sur les conducteurs de protons céramiques. Les bons conducteurs de protons doivent avant tout répondre à deux exigences : ils doivent absorber le plus grand nombre possible de protons, et ceux-ci doivent pouvoir se déplacer aussi librement que possible dans le matériau. Ces deux propriétés sont toutefois contradictoires : lorsque l’on optimise l’une, l’autre se détériore généralement.
Un terrain accidenté au lieu d’une route dégagée
« On peut imaginer la membrane céramique comme un paysage sillonné de routes. Les protons se déplacent sur ces routes comme des voitures », explique Artur Braun. Plus il y a de voitures sur les routes, plus la circulation est ralentie. « Une autoroute à plusieurs voies pour les protons, sur laquelle les charges circuleraient sans entrave dans les deux sens, est un idéal », explique-t-il. Or, les membranes à protons couramment utilisées aujourd’hui ressemblent davantage à un terrain accidenté, que les protons traversent péniblement par des sentiers étroits.
Mais contrairement aux paysages qui nous sont familiers, les réseaux cristallins des membranes céramiques sont dynamiques – c’est-à-dire variables. Dans des travaux antérieurs, l’équipe de Artur Braun a pu montrer que la conductivité protonique dans les céramiques hautement conductrices ne reste pas toujours constante, mais qu’elle peut parfois diminuer, voire atteindre des valeurs maximales. « C’est comme si les montagnes et les vallées s’égalisaient soudainement. Les protons ont pour ainsi dire le champ libre pendant un bref instant », dit Artur Braun. L’équipe de l’Empa a également pu montrer que le transport des protons dans les conducteurs céramiques est étroitement lié aux vibrations du réseau cristallin – et que les protons intégrés dans le réseau peuvent eux-mêmes modifier ces vibrations.
Les réponses se trouvent dans le réseau cristallin
Pour mieux comprendre cet effet, les chercheurs ne se concentrent toutefois pas, dans leur projet actuel, sur un bon conducteur de protons, mais plutôt sur un mauvais conducteur. L’oxyde de lanthane-cérium (LCO) peut certes absorber de nombreux protons, mais il ne les transmet pas. « Si un mauvais conducteur de protons peut être comparé à un embouteillage, le LCO, lui, est en proie à un véritable engorgement », explique Artur Braun.
Cet inconvénient apparent offre toutefois aux chercheurs une occasion unique d’étudier les effets de la structure du matériau sur la conductivité protonique. Outre la caractérisation cristallographique à haute résolution par neutrons réalisée à l’Institut Paul Scherrer (PSI), l’équipe utilise de nouvelles méthodes mises en œuvre dans de grandes installations de recherche aux États-Unis et au Japon afin de mesurer avec précision les vibrations des réseaux cristallins et de vérifier expérimentalement les modèles théoriques. « Si nous comprenons les fondements scientifiques de la conductivité protonique, nous pourrons, dans l’idéal, déterminer comment les futures céramiques deviendront de meilleurs conducteurs de protons, permettant ainsi la mise au point de membranes plus efficaces pour les piles à combustible et les électrolyseurs », explique le physicien.
Littérature
A Braun, A Rulev, N Nagasawa, H Wang, H Bendikov, V Pomjakushin, M Kunz, Y Yoda, Q Chen, SP Cramer: How Proton Incorporation Reshapes Lattice Dynamics in BaSnO3-type Proton Conductors; Advanced Science (2026); doi: 10.1002/advs.76065
A Rulev, N Nagasawa, H Wang, V Pomjakushin, M Kunz, Y Yoda, SP Cramer, Q Chen, A Braun: Strong Proton-Phonon Coupling Drives Fast Ion Transport in Perovskites; Advanced Science (2025); doi: 10.1002/advs.202507261
A Braun, Q Chen: Experimental neutron scattering evidence for proton polaron in hydrated metal oxide proton conductors; Nature Communications (2017); doi: 10.1038/ncomms15830
Informations
Dr. Artur Braun
High Performance Ceramics
Tél. +41 58 765 48 50
artur.braun@empa.ch