Mesoscopic modeling of ion exchange membranes for energy conversion applications

Les membranes Nafion®, des copolymères perfluorosulfonés, sont essentielles pour les piles à combustible et l'électrolyse de l'eau en raison de leur haute stabilité et de leur conductivité protonique. Leur performance est directement liée à leur nanostructure complexe, qui allie des domaines hydrophobes et des régions hydrophiles. Cette thèse, menée à IFP Energies nouvelles, a développé un modèle mésoscopique par Dynamique des Particules Dissipatives (DPD) pour élucider le lien entre l'architecture de la membrane et ses propriétés de transport. L'approche repose sur une méthodologie de paramétrisation innovante, validée par des données expérimentales. Les paramètres du modèle ont d'abord été ajustés en étudiant des molécules plus simples, puis affinés en intégrant les charges ioniques via une méthode basée sur la pression osmotique. L'élaboration d'un protocole de création de configurations initiales a permis de modéliser fidèlement les membranes hydratées, en reproduisant une cristallinité conforme aux observations expérimentales. Finalement, la diffusion des protons a été simulée en tenant compte du mécanisme de Grotthuss. Cette modélisation a permis d'établir des liens quantitatifs entre la dynamique des protons et des paramètres structuraux clés tels que la tortuosité des canaux aqueux, le taux d'hydratation et le degré de cristallinité. Ce travail offre une meilleure compréhension des relations structure-propriété, ouvrant la voie à la conception de matériaux optimisés pour les applications énergétiques.