Une recherche de structures optimales des adsorbants poreux à base de carbone pour le stockage de l'hydrogène : approche par modélisation numérique

A search for optimal structure of carbon-based porous adsorbents for hydrogen storage : numerical modeling approach

• Auteur / Autrice : Ali Mohammadhosseini
• Direction : Bogdan Kuchta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences
• Date : Soutenance le 17/09/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Renaud Denoyel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Wexler, Guillaume Maurin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Absorbants et adsorbants

Stockage

Hydrogène

Mots clés libres

Simulation

Stockage d'hydrogène

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Modélisation Monte Carlo

Adsorbants à base de carbone

Structure ouverte de carbone

Modèles de pores

Simulation

Hydrogen adsorption

Density Functional Theory

Monte Carlo modeling

Carbon-based adsorbents

Open Carbon frameworks (OCF)

Pore Models

Résumé

Le but principal de cette étude était la recherche de structures optimales de charbons activés capables d"atteindre l'objectif de stockage d'hydrogène fixé par le département de l"énergie américain (DOE) pour les applications mobiles en utilisant l"adsorption physique à la température ambiante et aux pressions en-dessous de120 bars. L'hydrogène est destiné à être stocké dans une cuve rempliée d"adsorbants et doit être utilisé dans les véhicules alimentés principalement par des piles à combustible. Les adsorbants à base de carbone connus ont une capacité de stockage faible. Par conséquent, dans ce travail, j'ai défini les paramètres responsables de l'insuffisance de capacité de stockage de ces matériaux. Une attention particulière a été accordée à la géométrie locale des pores des adsorbants. J'ai étudié la structure locale des pores des adsorbants à base de carbone et je présente le principe de la conception d"architectures tridimensionnelles de nouvelles structures de carbone ainsi que la capacité d'adsorption de l'hydrogène par ces structures, lesquelles constituent une classe prometteuse de matériaux pour le stockage d'hydrogène et qui n'ont pas été étudiées jusqu'ici. Hormis la maximisation de la densité de l'hydrogène absorbée par cette famille de structures, mon but était de caractériser l'adsorption dans cette nouvelle catégorie d'adsorbants. Cela permet d"apporter des informations quant à la méthodologie à utiliser pour ajuster les propriétés physiques de ces matériaux afin d'optimiser leurs propriétés de stockage. Les résultats obtenus semblent montrer que cet objectif est atteint et confirment que mon approche constitue une bonne base pour de futures recherches.

The main goal of research presented in this thesis has been a search for optimal carbon-based porous structure capable to achieve the hydrogen storage capacity defined by US Department of Energy (DOE) for mobile applications at room temperature by adsorption at medium-level pressures below 120 bars. The hydrogen is assumed to be stored in a tank filled with adsorbents to be used in transport application, mainly fuel-cell driven vehicles. The known carbon-based adsorbents have low storage capacity. Therefore in this work, I have defined the basic parameters which are responsible for the capacity deficiency of such materials. Special attention has been paid to local pore geometry of adsorbents. I have investigated the pore local structure of carbon-based adsorbents and I present the basis of design and hydrogen adsorption capacity in three-dimensional architecture of new carbon frameworks, a promising class of potential hydrogen storage materials that have not been studied so far. Apart from maximizing the density of hydrogen taken up by this family of structures, I have aimed at characterization of this new category of adsorbents. This is hoped to lead to a guidance how their physical properties can be designed, or `tuned', to optimize their storage properties, and the obtained results seem to achieve this aim and thus provide a good basis for future research.