Propriétés physico-chimiques de nouveaux matériaux en couches minces pour le stockage d'hydrogène

par Gauthier Lefèvre

Thèse de doctorat en Molécules et matière condensée

Sous la direction de Adlane D. Sayede et de Rachel Desfeux.

Soutenue le 28-11-2018

à l'Artois , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord) .

Le président du jury était Holger Kohlmann.

Le jury était composé de Adlane D. Sayede, Rachel Desfeux, Holger Kohlmann, Laetitia Laversenne, Gilles Frapper, Houria Kabour, Raphaël Janot, Sébastien Saitzek.

Les rapporteurs étaient Laetitia Laversenne, Gilles Frapper.

mots clés

• Modélisation ab initio
• DFT
• Recherche structurale
• Couches minces
• Ablation laser pulsé
• Alliages riches en magnésium
• Stockage d'hydrogène
• Hydrogène (combustible)
• Énergie -- Stockage
• Couches minces
• Dépôt par laser pulsé

Résumé

Le stockage d'hydrogène est sans doute le dernier verrou au développement à grande échelle des piles à combustible. Utiliser l'hydrogène comme vecteur énergétique, produire efficacement de l'électricité sans avoir recours aux énergies fossiles et rejeter uniquement de l'eau, il s'agit là peut-être de la prochaine révolution technologique, écologique et qui signera la fin des problèmes environnementaux en terme d'énergie.L'hydrogène gazeux est dangereux et son stockage à l'état solide représente une solution mais au détriment de la quantité stockée et des conditions d'utilisation.Dans ce contexte, la recherche de nouveaux matériaux avec des propriétés physico-chimiques nouvelles est souhaitable.Cette thèse s’inscrit dans cette démarche d'investigation : d'une part mettre en oeuvre et utiliser de nouvelles techniques de recherche structurale théorique pour explorer les possibilités qu'offrent les alliages métalliques ; ensuite entreprendre la synthèse de couches minces de métaux et d'alliages au moyen de l’ablation laser pulsé pour bénéficier des atouts de cette méthode.L'étude théorique menée au cours de cette thèse a permis de montrer l'impact des contraintes de pression sur la formation et la stabilité d'alliages dans de nombreux systèmes binaires. Des pistes sur l'hydrogénation possible de nouvelles structures ont également été présentées.D'autre part, l'adversité de l'ablation laser pulsé pour la synthèse de couches minces a été mise en lumière et de grandes disparités dans les conditions de dépôts sont à déplorer. Cette méthode permet de parvenir à des morphologies singulières, ouvrant ainsi à des perspectives dans la conception de ces nouveaux matériaux.

mots clés

• Ab initio study
• DFT
• Structural prediction
• Thin films
• Pulsed laser deposition
• Magnesium-rich alloys
• Hydrogen storage

Titre traduit

Physico-chemical properties of new thin-film materials for hydrogen storage

Résumé

Hydrogen storage is probably the last lock facing the development of fuel cells system.Hydrogen is a non-harmful, non-polluting that can be used as an energy vector, allowing to produce fossil fuel free electricity efficiently and releasing only water.It could trigger the next technological and green revolution, marking the end of environmental concerns related to energy.Hydrogen is the most energetic gas. These double-edged caracteristics makes it attractive and unsafe at the same time. Solid state storage can be seen as a solution in spite of a moderate hydrogen uptake and a poor desorption process.In this context, research of new materials with enhanced physico-chemical properties is desirable and represent the aim of this work.This thesis is an investigation study. On the one hand, with the help of efficient theoretical structural prediction systems, an exploration of the infinite possibilities offered by metal alloys has been performed. On the other hand, pulsed laser deposition of metal thin films has been implemented to make use of its benefits.The present theoretical study has highlighted the influence of external strains on stability and emergence of alloys in numerous binary systems. In addition, a search for potential hydrides was carried out. Informations obtained are encouraging the use of similar prediction schemes in order to identify new systems.From metallic thin films made by pulsed laser ablation, deposition difficulties and disparities in procedures have been put forward. Nonetheless, singular morphologies have been achieved by this process, opening new insights for designing novel materials.