Thèse soutenue

Membranes PECVD à base de a-SiCxNyH pour la séparation de l’hydrogène
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Auteur / Autrice : Mathias Haacké
Direction : Vincent RouessacStéphanie Roualdes
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
Date : Soutenance le 15/12/2015
Etablissement(s) : Montpellier
Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
Jury : Président / Présidente : Philippe Miele
Examinateurs / Examinatrices : Vincent Rouessac, Stéphanie Roualdes, Philippe Miele, David Farrusseng, Laurent Thomas, Pluton Pullumbi, Anne Julbe, Romain Coustel
Rapporteurs / Rapporteuses : David Farrusseng, Laurent Thomas

Mots clés

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Résumé

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Le but de ces travaux était de développer des membranes non oxydes a-SiCxNy:H par PECVD, permsélectives à H2 et avec une bonne stabilité hydrothermale jusqu’à 400° C, afin d’envisager la mise au point d’un module membranaire s’intégrant dans une chaîne de purification de l’hydrogène. Des dépôts ont été réalisés dans deux types de réacteurs PECVD basse-fréquence (BF) et micro-ondes (MO), en utilisant les précurseurs HMDSN et NH3, et l’argon en tant que gaz vecteur. Dans un premier temps, différentes conditions de synthèse ont été étudiées afin d’obtenir une riche variété de matériaux déposés en couche mince soit sur silicium monocristallin (pour caractérisations physico-chimiques), soit sur supports mésoporeux plans (pour caractérisation du transport de gaz). Dans le réacteur BF, les paramètres tels que la température (25 - 300° C) et la pression en NH3 (0 - 0,4 mbar) lors de la synthèse ont été étudiés. En réacteur MO, ces études ont été complétées par la variation de la puissance (100 – 200W). L’influence de ces paramètres sur structure microporeuse des matériaux a été prouvée, et des corrélations avec les performances des membranes pour la séparation d’hydrogène ont été établies. Pour les deux types de réacteurs, un comportement de tamis moléculaire avec un bon compromis entre perméance et sélectivité pour He a été démontré. Dans un second temps, les travaux se sont tournés vers un transfert de la technologie vers l’industrie a été considéré en deux étapes. La première étape du transfert a été de remplacer les gaz purs (He, N2, CO2) par un mélange gazeux (H2/CO/CO2/CH4) sec ou sous atmosphère humide, en conservant la géométrie plane pour les supports. Les résultats prouvent que, malgré une légère diminution de la perméance pour les gaz de petites tailles inhérent au remplacement de He par H2, les membranes restent efficaces pour la séparation de H2. De plus, la présence d’humidité à 150° C semble augmenter les performances et prouve la stabilité hydrothermale des membranes à cette température. La seconde étape du transfert concerne le passage d’une géométrie de substrat plane à tubulaire avec dépôt des membranes PECVD sur la surface externe des supports tubulaires. Les résultats montrent que la qualité de surface de ces substrats est principalement responsable de la diminution des performances des membranes, même si la stabilité hydrothermale semble être conservée.