Conduction protonique au sein d'un électrolyte pour pile à combustible : BaCeO3 dopé Gd

Theoretical study of protonic conduction in Gd-doped BaCeO3 : an electrolyte for fuel cell

• Auteur / Autrice : Jessica Hermet
• Direction : François Jollet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 21/10/2013
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de structures, propriétés et modélisation des solides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Fondation : Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Arpajon). Direction des application militaires Île-de-France
• Jury : Président / Présidente : Rose-Noëlle Vannier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Jollet, Antoine Villesuzanne, Goran Wahnstrom, Guilhem Dezanneau, Grégory Geneste
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Villesuzanne, Goran Wahnstrom

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible

Électrochimie

Protons -- Diffusion

Mots clés libres

Pile à combustible

DFT, KMC

Conduction protonique

Fuel cell

DFT, KMC

Protonic conduction

Résumé

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.