Des céramiques transparentes montrent une conductivité anionique

Résultats scientifiques Matériaux

Des chercheurs du CEMHTI (Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation) à Orléans sont parvenus à cristalliser complètement un verre, afin de synthétiser les premières céramiques transparentes présentant des propriétés de conductivité anionique. Ce travail, paru dans Journal of Materials Chemistry A, ouvre la voie à une production d’énergie moins polluante.

Les céramiques sont des matériaux polycristallins qui ont des propriétés, notamment mécaniques, électriques, magnétiques, optiques ou supraconductrices particulières et sont utilisées comme isolants thermiques (bouclier thermique de navettes spatiales) ou électriques, matériaux de blindage ou de stockage de données, prothèses, etc. Simple et peu coûteuse, la cristallisation « totale et congruente » d’un verre permet d’accéder à des céramiques transparentes. Ce procédé flexible est développé depuis une dizaine d’années au laboratoire Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation (CEMHTI, CNRS/Université d’Orléans). Grâce à cette méthode, des chercheurs de ce laboratoire 1 ont produit les premières céramiques combinant des propriétés de conductivité anionique et de transparence, en vue d’applications énergétiques.

La méthode classique pour produire des céramiques transparentes est le frittage sous pression de poudres nanométriques. La cristallisation à partir d’une phase amorphe (non cristalline) comme le verre permet de synthétiser à température modérée (< 1000 °C) de nouvelles phases cristallines inaccessibles à plus haute température. En particulier, l’approche par cristallisation complète du verre évite les phases secondaires généralement observées dans les matériaux synthétisés par voie solide classique et assure une densité très élevée (porosité très faible) : deux propriétés qui permettent d’obtenir de fortes conductivités.

De plus, grâce à l’absence de porosité et à la faible biréfringence 2 de la structure obtenue, ces céramiques synthétisées via la voie verre sont transparentes dans le visible et le proche infrarouge. Ce sont donc les premières céramiques à combiner des propriétés de conductivité anionique et de transparence.

Par leur côté conducteur, de tels matériaux pourraient être utilisés comme électrolytes solides dans des piles à combustible à oxydes solides (IT-SOFC) à température intermédiaire, pour une production d’énergie moins polluante qu’avec les SOFC classiques à haute température. Des applications sont également envisageables dans des systèmes de craquage de l’eau (water splitting) qui permettent d’obtenir de l’hydrogène et de l’oxygène en dissociant par la chaleur les atomes composant la molécule d'eau : les céramiques transparentes, transmettant au cœur du système la lumière absorbée, seraient amenées à haute température grâce au rayonnement solaire, améliorant ainsi le rendement et diminuant l’impact environnemental de ces systèmes.

 

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Les céramiques de mélilites non-stœchiométriques synthétisées au CEMHTI sont les premières céramiques transparentes qui montrent de la conductivité anionique.

©Mathieu Allix

 

 

 

Références

Marina Boyer, Xiaoyan Yang, Alberto Jose Fernandez Carrion, Quanchao Wang, Emmanuel Veron, Cecile Genevois, Louis Hennet, Guy Matzen, Emmanuelle Suard, Dominique Thiaudiere, Celia Castro, Denis Pelloquin, Ling Bing Kong, Xiaojun Kuang, Mathieu Allix
First transparent oxide ion conducting ceramics synthesized by full crystallization from glass
Journal of Materials Chemistry A – Décembre 2017
DOI: 10.1039/c7ta07621e

 

De nouvelles céramiques transparentes par cristallisation complète du verre
http://www.cnrs.fr/inc/communication/direct_labos/allix.htm

 

  • 1. En collaboration avec le Groupe de physique des matériaux (CNRS/Université de Rouen Normandie) et le laboratoire CRISMAT (CNRS/École nationale supérieure d'ingénieurs de Caen), notamment
  • 2. Propriété de certains corps de diviser en deux le rayon lumineux qui les pénètre

Contact

Mathieu Allix
Chercheur (UPR3079 CEMHTI)
Sophie Félix
Chargée de communication
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Christophe Cartier dit Moulin
Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC