Elaboration, caractérisations et modélisation des mécanismes de conduction de matériaux céramiques conducteurs anioniques et protoniques

Elaboration, characterization and modelling of conduction mechanisms in anionic and protonic conducting ceramic materials

• Auteur / Autrice : Aenor Pons
• Direction : Olivier Masson, Emilie Bechade, Pierre-Marie Geffroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Colomban
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maggy Dutreilh-Colas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rose-Noëlle Vannier, Gilles Taillades

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés physico-chimiques

Matériaux céramiques

Piles à combustible à oxyde solide

Spectroscopie Raman

Réactions de transfert de protons

Apatite

Mots clés libres

Electrolyte

Apatite

Autoclave

Protonation

Impédance complexe

Spectroscopie Raman

Electrolyte

Apatite

Autoclave

Protonation

Complex Impedance

Raman Spectroscopy

Résumé

Dans ce travail, le composé de structure apatite La9,33(SiO4)6O2+3x/2 (-0,2<x<0,27) a été synthétisé et caractérisé en vue d’applications comme matériau d’électrolyte dans les piles à combustible à conduction anionique (IT-SOFC) et potentiellement protonique (PC-SOFC).Des pastilles et membranes denses d’oxyapatite pure ont été élaborées à partir de poudres synthétisées par voie solide, mises en forme par pressage isostatique ou coulage en bande et thermocompression, et frittées à 1550°C. Les échantillons ont été caractérisés électrochimiquement par spectroscopie d’impédance complexe et semi-perméation à l’oxygène et à l’hydrogène. Les phases La2SiO5 et La2Si2O7, qui peuvent apparaître lors de la synthèse de l’oxyapatite, ont été élaborées selon un protocole similaire, afin de caractériser leurs propriétés de conduction anionique. Ces phases ont d’autre part été utilisées lors d’essais d’élaboration d’oxyapatite à microstructure orientée le long de l’axe c, par frittage réactif d’échantillons d’architecture multicouche composés initialement d’une alternance de bandes La2SiO5 et La2Si2O7.Des tests de protonation en autoclave, à 550°C et 50 bars de pression de vapeur d’eau, ont été réalisés afin d’étudier le mécanisme d’insertion des protons dans la structure de l’oxyapatite. Des analyses thermogravimétriques, effectuées sur les échantillons protonés, ont permis de localiser les espèces protoniques insérées (surface/cœur) et de faire une analyse semi-quantitative de ces dernières. Les pertes de masses observées sont d’autant plus importantes que le temps de protonation et la stœchiométrie en oxygène des échantillons sont élevés. Des caractérisations structurales par diffraction des rayons X et spectroscopie Raman ont mis en évidence une augmentation conséquente du volume de la maille et un élargissement des grands canaux de la structure, ainsi qu’un changement de symétrie et une augmentation du désordre au sein de ces derniers. Ainsi, il semble que l’insertion des protons dans l’oxyapatite se fasse de manière préférentielle à l’intérieur des grands canaux de la structure.

This work is devoted to the synthesis and characterization of apatite-type La9,33(SiO4)6O2+3x/2 (-0,2<x<0,27), as electrolyte material for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (IT-SOFC) and potentially Proton Conducting SOFC (PC-SOFC).Pure and dense oxyapatite pellets and membranes were prepared from powders synthetized by solid-state reaction and shaped by isostatic pressing or tape-casting process and thermocompression, then sintered at 1550�C. The electrochemical properties of the samples were characterized by complex impedance spectroscopy and O2 and H2 semi-permeation. La2SiO5 et La2Si2O7 phases, which may appear during the oxyapatite synthesis, were prepared following a similar process, in order to study their electrochemical properties. Theses phases were also used in an experiment whose purpose was to elaborate highly c-axis-oriented apatite-type lanthanum silicate polycrystals by combined use of tape casting and reactive diffusion between La2SiO5 and La2Si2O7.In order to study the protonation process of oxyapatite, tests were performed in autoclave with water at 550�C and 50 bars. Thermogravimetric analyses enabled to locate (surface/bulk) and to make a semi-quantitative analysis of inserted protonic species. The longer the protonation time and the higher the oxygen stoichiometry are, the greater the mass loss is. Moreover, structural studies by X ray diffraction and Raman spectroscopy revealed that the cell volume was increased and the channels of the structure enlarged, while the symmetry was modified and the disorder increased inside them. Thus, it appears that the protonic species insertion in oxyapatite takes place preferentially inside the channels of the structure.