Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les conducteurs par ions oxyde possèdent de nombreuses applications (piles à combustible, séparation électrochimique de l'oxygène, capteurs) qui reposent sur la migration des ions à travers le matériau. C'est la présence de défauts qui est responsable des propriétés. La compréhension des mécanismes de diffusion de l'oxygène s'appuie sur une bonne connaissance de la structure et des paramètres de transport de l'oxygène, sur la base de caractérisations expérimentales et d'études de modélisation.
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Ionic oxide ion conductors have many applications (fuel cells, electrochemical separation of oxygen from air, sensors), based on ionic migration through the material. It is the presence of defects that is responsible for their properties. Understanding the mechanisms of diffusion of oxygen comes from thorough knowledge of the structure and parameters of oxygen transport through experimental characterization techniques and modeling studies
Auteur(s)
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Aurélie ROLLE : Maître de conférences - Unité de catalyse et de chimie du solide, Équipe chimie du solide, UMR CNRS 8181, Villeneuve d'Ascq, France
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Vincent THORETON : Doctorant - Unité de catalyse et de chimie du solide, Équipe chimie du solide, UMR CNRS 8181, Villeneuve d'Ascq, France
-
Caroline PIROVANO : Maître de conférences - Unité de catalyse et de chimie du solide, Équipe chimie du solide, UMR CNRS 8181, Villeneuve d'Ascq, France
-
Olivier LAFON : Professeur des universités - Unité de catalyse et de chimie du solide, Équipe chimie du solide, UMR CNRS 8181, Villeneuve d'Ascq, France
-
Rose-Noëlle VANNIER : Professeur des universités - Unité de catalyse et de chimie du solide, Équipe chimie du solide, UMR CNRS 8181, Villeneuve d'Ascq, France
INTRODUCTION
Les conducteurs ioniques par ions oxyde O2– possèdent de nombreuses applications, comme matériaux d'électrolyte pour piles à combustible à oxyde solide (système électrochimique permettant la production d'énergie), comme membrane pour la séparation électrochimique de l'oxygène de l'air (permettant la production de dioxygène de haute pureté) ou comme membrane dans des capteurs à gaz (par exemple les jauges à oxygène permettant de quantifier la quantité d'oxygène dans un milieu). Ces applications reposent sur la migration des ions oxyde à travers la structure du matériau lui-même, les propriétés étant directement liées à l'existence de défauts atomiques (atomes d'oxygène interstitiels, lacunes d'oxygène...).
Dans le cadre de la recherche de nouveaux matériaux conducteurs ioniques et de la compréhension des mécanismes de transport de l'oxygène, une bonne connaissance des matériaux, de leur structure et de leurs propriétés est primordiale. Après une définition de la conduction ionique dans les solides et des applications, cet article a pour but de dresser une revue des principales techniques de caractérisations utilisées pour l'étude des conducteurs par ions oxyde. Il sera également fait référence à la modélisation atomique, qui repose sur des modèles simples, mais suffisants pour aider à la compréhension des mécanismes de transport dans ces matériaux.
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KEYWORDS
energy | materials | solid state chemistry | characterisation techniques
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Apport de la diffraction des rayons X et des neutrons
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4. Apport de la modélisation atomique
Les calculs théoriques menés sur les conducteurs ioniques sont utilisés en comparaison et complément des caractérisations expérimentales. Une méthode simple de calcul numérique et rapide en termes de temps de calcul est la modélisation atomique. D'autres méthodes plus complexes, telles que la dynamique moléculaire MD (Molecular Dynamic ), la théorie de fonctionnelle DFT (Density Functional Theory ), par exemple, permettent d'obtenir des résultats plus poussés, mais sont plus coûteuses en temps de calcul.
La modélisation atomique fournit des informations à l'échelle atomique sur la description des structures, la détermination d'énergies de défauts, l'introduction de défauts au sein de la structure, l'incorporation de substituants, leur localisation, les substituants favorables, les chemins de migration d'une espèce.
4.1 Principe de la modélisation atomique
4.1.1 Potentiels atomiques et description d'un cristal parfait
Cette technique est basée sur des procédures de minimisation de l'énergie de réseau. Le calcul de l'énergie de réseau repose sur le modèle de Born des solides polaires, dans lequel les interactions entre les ions ponctuels sont traitées comme la somme de forces électrostatiques à longue distance (Coulombiennes) et de forces à courte distance. Le potentiel interatomique est de la forme :
( 38 )
où :
- rij :
- distance entre les ions i et j de charges Zi et Zj ,
- e :
- charge élémentaire,
- Aij , ρij, Cij :
- paramètres définis pour décrire les interactions au sein de paires d'atomes.
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Apport de la modélisation atomique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WARBUG (E.), TEGETMEIER (F.) - Über die elektrolytische leitung der Berkrystalls. - Wiedemann Ann. Phys., 32, p. 455 (1888).
-
(2) - HABER (F.), TOLLOCZKO (St.) - Über die reduktion der gebundenen, festen kohlensäure zu kohlenstoff und über elektrochemische veränderungen bei festen stoffen. - Zeitschrift für anorganische Chemie, 41, p. 407-441 (1904).
-
(3) - NERNST (W.H.) - Über die elektrolytische leitung fester körper bei sehr höhen temperaturen. - Zeitschrift für Elektrochemie, 6, p. 41-43 (1899).
-
(4) - SMART (L.), MOORE (E.) - Introduction à la chimie du solide. - ISBN : 2-225-85621-4, 357 p., Masson (1997).
-
(5) - MARUCCO (J.-F.) - Chimie des solides. - ISBN : 2-866883-673-9, EDP Sciences, 565 p. (2004).
-
(6) - IVERS-TIFFE...
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