Synthèse de matériaux nitrures fonctionnels à base de bore ou d'aluminium pour des applications en énergie (production et stockage de l'hydrogène)

Synthesis of boron or aluminum based functional nitrides for energy applications (hydrogen production and storage)

• Auteur / Autrice : Chrystelle Mounir Salameh
• Direction : Philippe Miele
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 04/12/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Miele, Gian Domenico Soraru, Petra E. De Jongh, Samuel Bernard, Umit Bilge Demirci, Christel Laberty-Robert, Étienne Duguet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gian Domenico Soraru, Petra E. De Jongh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bore

Nitrures

Stockage

Hydrogène

Hydrures

Porosité

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Production et stockage de l'hydrogène

Nitrure

Hydrure

Énergie

Aluminium

Bore

Hydrogen production and storage

Nitride

Hydride

Energy applications

Aluminium based materials

Boron based materials

Résumé

Les matériaux céramiques poreux présentent des propriétés de grand intérêt grâce à leur potentiel dans les applications de l'énergie. L'objectif général de cette thèse concerne le développement de matériaux (carbo)nitrures pour la production et le stockage de l'hydrogène (synthèse, caractérisation, propriétés et applications). La voie polymère précéramique, offrant un grand nombre de possibilités dans la chimie et la science des céramiques, est utilisée pour élaborer ces matériaux. Tout d'abord, nous avons préparé les systèmes binaires poreux tels que AlN et BN en répliquant la structure du CMK-3 et du charbon actif. Après pyrolyse, nous avons démontré la faisabilité de produire des nitrures avec une porosité adaptée. Par ailleurs, en couplant la voie polymère précéramique avec la technologie des aérogels, nous avons réussi à préparer des aérogels AlN et BN avec une porosité relativement élevée. Nous avons évalué le potentiel de ces matériaux poreux pour le nanoconfinement de deux hydrures chimiques, l'alanate de sodium et l'ammoniaborane, respectivement. Dans les deux cas, la nanoconfinement a déstabilisé le réseau de l'hydrure et a permis la libération de H2 à de basses températures ; en outre, dans le cas de l'ammoniaborane confiné, aucun sous-produit gazeux indésirable n'a été détectée, ce qui confirme la pureté du H2 dégagé. Deuxièmement, nous avons préparé des systèmes quaternaires poreux par association de AlN/BN avec des céramiques à base de silicium. En particulier, nous avons élaboré des céramiques SiAlCN en utilisant deux approches: la voie à « 2 sources » et la voie à « source unique ». En ce qui concerne la première, nous avons préparé des matériaux mésoporeux ordonnés qui ont été utilisés comme supports catalytiques pour l'hydrolyse d'une solution alcaline de borohydrure de sodium. Nous avons réussi à générer du H2 avec des cinétiques élevées. En ce qui concerne la seconde approche, le travail a porté sur l'étude de la chimie de matériaux SiAlCN et SiBCN. Des mousses cellulaires SiAlCN ont été préparées par l'utilisation de charges sacrificielles.

Porous inorganic materials are of great interest owing to their potential in energy applications. The general objective of the present thesis concerns the development of functional (carbo)nitrides for hydrogen generation and storage (material design, elaboration, properties and applications). The PDCs route, which offers a large number of opportunities in chemistry and ceramic sciences, has been applied to produce functional (carbo)nitrides materials. Firstly, we prepared porous binary systems such as AlN and BN by replicating the structure of CMK-3 and that of activated carbon. After pyrolysis and removal of the template, we demonstrated the feasibility of producing nitrides with tailored porosity. Moreover, by coupling the PDCs route with the aerogel technology, we succeeded in preparing polymer-derived AlN and BN aerogels. We assessed the potential of these porous AlN and BN materials in nanoconfinement of two chemical hydrides, namely sodium alanate and ammoniaborane, respectively. In both cases, the nanoconfinement destabilized the network of the hydride and favored the release of H2 at low temperature. Besides, in the case of nanoconfined ammoniaborane, no evolution of undesired gaseous by-products was observed, which means that pure hydrogen was produced in our conditions. Secondly, we prepared porous quaternary systems through the association of AlN/BN with Si-based ceramics. In particular, we investigated the preparation of SiAlCN with tailored porosity by using two approaches: the “molecular building block” and “single-source precursor” approaches. Concerning the former, we investigated the preparation of ordered mesoporous materials to be used as catalytic supports for hydrolysis of alkaline solution of sodium borohydride. We succeeded in generating high amounts of H2 with attractive kinetics. Concerning the latter approach, the work was focused on the investigation of the chemistry of SiAlCN and SiBCN materials with a particular focus on the elaboration of SiAlCN microcellular foams by a sacrificial processing route.