Une étude, dont les résultats intitulés «Unveiling the multiscale morphology of chemically stabilized proton exchange membranes for fuel cells by means of Fourier and real space studies» ont été publiés dans la revue Nanoscale Advances, a permis, en s'appuyant en particulier sur des analyses morphologiques multi-échelles, d'élaborer une nouvelle génération de membranes hybrides échangeuses de protons pour pile à combustible, aux performances et à la durabilité prometteuses.

Relevons tout d'abord que "les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) pourraient un jour équiper une nouvelle génération d'automobiles ne rejetant que de l'eau" à condtion de "remplacer la membrane perfluorée et sulfonée actuelle (Nafion^®) par un matériau plus performant en termes de coût, d'impact environnemental et de tenue mécanique (au-delà de 80°C)".

Néanmoins, "les alternatives au Nafion^®, comme le sPEEK (polyéther-éther-cétone sulfoné), possèdent d'excellentes propriétés mécaniques mais souffrent d'une plus courte durée de vie et de performances moindres": en effet, malgré d'excellentes propriétés thermomécaniques, le sPEEK est "oxydé dans la pile en fonctionnement, ce qui réduit drastiquement sa durée de vie à quelques centaines d'heures (au lieu de dizaines de milliers d'heures pour le Nafion^®)".

Dans ce contexte, l'étude ici présentée a "développé une phase sol-gel à base de MPTS (3-mercaptopropyl)triméthoxysilane) au sein de membranes sPEEK afin qu'elle protège ses hôtes contre les espèces oxydantes générées au cours du fonctionnement de la pile".

La structure complexe de ces nouvelles membranes hybrides a été analysée "en corrélation avec leurs propriétés fonctionnelles et leur durabilité". Les nanostructures ont été observées "à des échelles du nm à la centaine de nm, en combinant microscopie à force atomique 3D (AFM), microscopie électronique à balayage à faisceau d'ions focalisés (3D FIB-SEM), diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) et diffusion de rayons X aux grands angles (WAXS)".

Il est alors apparu "que la phase sol-gel est distribuée en grands domaines sphériques dont le diamètre varie de 100 à 200 nm selon la teneur en sol-gel". D'autre part, "les nanoparticules de sol-gel se développent vraisemblablement dans des espaces peu denses (interbundles) de la membrane sPEEK hôte".

De plus, "les résultats de SANS révèlent que la phase sol-gel a une organisation hiérarchique et que les « canaux ioniques » sont seulement comprimés par l'insertion de la phase sol-gel ce qui permet de préserver la conduction ionique du sPEEK".

Au bout du compte, "cette étude multi-échelle a permis de préciser la localisation de la phase sol-gel associée à une stabilisation chimique de la membrane".