Récemment, une équipe collaborative dirigée par les professeurs Liu Bailin, Li Yangguang et Zang Hongying de l'Université normale du Nord-Est et de l'Université des sciences et technologies de Changchun a publié des résultats de recherche significatifs dans la prestigieuse revue internationale Angewandte Chemie International Edition. L'étude a synthétisé des conducteurs protoniques supramoléculaires de cluster BPN grâce à une stratégie d'auto-assemblage en phase aqueuse, réalisant une synergie entre « haute conductivité - faible énergie d'activation - forte stabilité », offrant ainsi une nouvelle approche modulaire pour la conception de matériaux clés de nouvelle génération pour les PEMFC.
Les conducteurs protoniques sont la « charpente centrale » des PEMFC, et leurs performances déterminent directement l'efficacité de conversion énergétique et la durée de vie de la batterie. Les recherches actuelles présentent deux limitations majeures : premièrement, elles négligent l'hétérogénéité microscopique du transport protonique local, rendant difficile l'optimisation du chemin de conduction au niveau moléculaire ; deuxièmement, les matériaux traditionnels ne parviennent pas à équilibrer les « trois performances », les conducteurs protoniques à base de MOF étant très sensibles à l'humidité et les systèmes ionomères ayant leurs canaux protoniques contraints par la séparation de phase. L'équipe a abordé deux questions scientifiques clés : « comment construire des chemins de transport protonique programmables et coordonner de multiples performances » et « comment révéler les différences dynamiques dans le transport protonique des sites locaux ».
L'innovation de cette recherche réside dans la première combinaison de clusters d'oxyde de bismuth [Bi₆O₅(OH)₃]⁵⁺ et de polyoxométalates (POM) [PW₁₂O₄₀]³⁻ par auto-assemblage en phase aqueuse, formant des matériaux supramoléculaires de cluster BPN (formule chimique : [Bi₆O₅(OH)₃]₂.₂₄[PW₁₂O₄₀][NO₃]₂.₄[H₃O]₅.₈). Cette conception utilise l'effet synergique des « clusters d'oxyde de bismuth améliorant la mobilité protonique + POM stabilisant l'état de transition de la transmission », couplé à un réseau dynamique de liaisons hydrogène, pour surmonter les limitations de performance des matériaux homogènes traditionnels.
Les résultats principaux de la recherche mettent en lumière trois percées majeures : En termes de caractéristiques structurelles, BPN forme une structure hiérarchiquement ordonnée grâce à la « liaison hydrogène assistée par charge + complémentarité électrostatique ». Les simulations de dynamique moléculaire montrent que les clusters d'oxyde de bismuth sont arrangés autour des POM selon un mode cubique à faces centrées, similaire à l'empilement cristallin de la fluorine, avec la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) et la RMN vérifiant l'état de valence mixte de W⁵⁺/W⁶⁺ et la présence de fortes liaisons hydrogène. En termes de performances, à 90 °C et 97 % d’humidité relative, la conductivité protonique atteint 0,12 S·cm⁻¹, comparable à celle des membranes Nafion commerciales, et à 25 °C, elle est de 5,6 × 10⁻³ S·cm⁻¹. Les performances restent stables après 72 heures de fonctionnement continu, avec une énergie d’activation aussi faible que 0,19 eV, et la membrane résiste aux acides forts, à l’oxydation et aux hautes températures, sans fuite de POM après immersion dans l’eau pendant 1 680 heures. En termes d’application, une pile DMFC assemblée avec une membrane composite BPN-Nafion, dans des conditions de 80 °C et de méthanol 1 M, atteint une tension en circuit ouvert de 0,82 V et une densité de puissance maximale de 86 mW·cm⁻², soit une amélioration de 59,3 % par rapport aux membranes Nafion pures.
Les études de mécanisme révèlent que les sites Bi-O servent de « canaux rapides » pour les protons, et l’introduction de POM réduit la barrière énergétique de transfert protonique de 1,66 eV à 0,14 eV, avec une efficacité de transmission optimale lorsque la quantité d’adsorption des molécules d’eau atteint 6,1 % en masse. La stratégie de conception « unité d’agrégats inorganiques + réseau dynamique de liaisons hydrogène » proposée par l’étude révèle non seulement le mécanisme d’hétérogénéité du transport protonique local, mais fournit également un soutien matériel clé pour les dispositifs d’énergie propre dans des scénarios tels que l’électronique portable et les drones, favorisant le développement des PEMFC vers une efficacité accrue, une durée de vie prolongée et un coût réduit.
