Les membranes Nafion sont au cœur des piles à combustible, mais leur fabrication reste coûteuse. Par ailleurs l’usage de polymères fluorés reste problématique pour la santé et l’environnement et aucun procédé industriel de recyclage n’existe à ce jour, ce qui constitue un défi majeur. Cette étude propose une méthode innovante utilisant des liquides ioniques (sels liquides non volatils, composés uniquement d’ions et dont les propriétés peuvent être modulées selon l’application), pour disperser la membrane puis la récupérer. Une analyse multi-échelle (cinétique de gonflement macroscopique, diffusion de neutrons et de rayons X) a permis de décrypter le mécanisme de gonflement menant à la dispersion et d’identifier les meilleurs candidats pour le recyclage de ces membranes.
Nous montrons qu’une membrane Nafion peut être dispersée dans des liquides ioniques, puis récupérée par précipitation et lavage. Le Nafion est restauré sous sa forme solide, constituant une première preuve de concept de recyclage en boucle fermée par l’utilisation de ces systèmes en tant que solvant. Une démarche multi-échelle combinant cinétique de gonflement, diffusion de la lumière, des neutrons et des rayons X a permis de décrypter la nature et la séquence des interactions, des premiers stades du gonflement jusqu’à la dispersion — gonflement des domaines ioniques, dilution des agrégats polymériques et plastification — et d’identifier les familles de liquides ioniques les plus prometteuses pour le recyclage.
Figure : Une nouvelle route de recyclage du Nafion en milieu liquide ionique
© CEA-Irig/SyMMES/ Hakima Mendil-Jakani
Cette étude établit une preuve de concept du recyclage du Nafion en milieu liquide ionique et complète des travaux sur une nouvelle voie de recyclage des assemblages membrane-électrodes issus des piles à combustible. Un autre objectif sera d'étendre le procédé aux membranes vieillies ou alternatives au Nafion.
pile à combustible*: dispositif électrochimique qui produit de l'électricité en convertissant l'énergie chimique d'un combustible en énergie électrique, par des réactions aux électrodes et le transport de protons à travers un électrolyte (membrane).
Nafion*: polymère fluoré utilisé comme membrane échangeuse de protons dans les piles à combustible largement employé pour ses performances électrochimiques.
cinétique de gonflement*: mesure de la variation temporelle de la masse et du volume d'un matériau liée à l'absorption de liquide.
UMR : SyMMES, Univ. Grenoble Alpes, CEA, CNRS, Grenoble INP - UGA
Financement : PTC MP
Collaborations :
Univ. Grenoble Alpes, CEA, LITEN, DTNM, 38000 Grenoble, France
Univ. Grenoble Alpes, CEA, IRIG, MEM, 38000 Grenoble, France
Institut Laue-Langevin, 38000 Grenoble, France
ICGM, University of Montpellier, CNRS, ENSCM, Montpellier, France
Hommage Cet article est dédié à la mémoire de notre coauteur, Gérard Gebel, dont l'expertise reconnue en analyse structurale des membranes ionomères a profondément enrichi l'environnement scientifique de ce travail. Ses conseils avisés lors de la thèse d'Ana Carolina ont été très précieux. Gérard nous a quittés avant la publication de cet article ; nous honorons sa mémoire et son héritage scientifique avec respect et gratitude.