Bisulfate de césium

Le bisulfate de césium, ou hydrogénosulfate de césium, est un composé chimique de formule CsHSO₄. Il se présente sous la forme d'un solide incolore obtenu en faisant réagir du sulfate de césium Cs₂SO₄ avec de l'acide sulfurique H₂SO₄. Au-dessus de 141 °C, il s'agit d'un conducteur superionique[2]. Cette conductivité provient de la mobilité élevée des protons de l'hydrogénosulfate[3]. Les études par cristallographie aux rayons X ont montré que la structure cristalline du composé est formée de centres sulfate tétraédriques reliant les cations de césium ; les protons sont liés aux atomes d'oxygène des sulfates[4].

On connaît trois phases cristallines du CsHSO₄, désignées phases I, II et III[5]. Il cristallise selon la phase III à température ambiante, de 21 °C jusqu'à 90 °C. Une transition vers la phase II survient entre 90 et 100 °C ; la phase II existe jusqu'à environ 140 °C, température au-delà de laquelle le matériau cristallise dans la phase I[6]. Les phases III et II sont monocliniques et présentent la conductivité protonique la plus faible. La phase I est tétragonale avec un arrangement des liaisons hydrogène dans le cristal qui favorise la mobilité des protons à travers un cristal de maille plus grande : la conductivité de la phase I croît d'environ quatre ordres de grandeur par rapport aux phases monocliniques, atteignant 10 ms/cm, dix fois supérieure à celle d'une solution aqueuse de chlorure de sodium par exemple. Dans cette structure, le mouvement des tétraèdres SO₄ rompt le réseau de liaisons hydrogène, ce qui favorise les transferts de protons[6]. Ce sont ces anions tétraédriques qui sont à l'origine du réarrangement des liaisons hydrogène avec le déplacement des protons[7].

La conductivité maximum du CsHSO₄ pur est de l'ordre de 10 mS/cm, ce qui est trop faible pour des applications pratiques. Cependant, la conductivité en-dessous de la température de transition de phase des composites avec le dioxyde de silicium SiO₂, le dioxyde de titane TiO₂ et l'alumine Al₂O₃ est augmentée de quelques ordres de grandeur[8]. Contrairement aux conducteurs protoniques hydratés, l'absence d'eau dans le bisulfate de césium lui confère sa stabilité thermique et électrochimique. Les mesures de la force électromotrice dans une cellule à oxygène humide ont permis de vérifier la nature fortement ionique du CsHSO₄ dans sa phase superprotonique[9].

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