Développement de poudres à base de MgH2 et de complexes de métaux de transition pour le stockage solide de l’hydrogène

Development of MgH2-based powders doped with transition metal complexes for hydrogen storage applications

• Auteur / Autrice : Basile Galey
• Direction : Georgeta Postole, Aline Auroux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Luneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georgeta Postole, Aline Auroux, Sylviane Sabo-Etienne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia de Rango, Michel Latroche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermodynamiques

Absorption

Métaux de transition -- Complexes

Hydrogène

Mots clés libres

Stockage solide de l’hydrogène

Système Mg/MgH2

Complexes de métaux de transition

Cinétiques de sorption

Paramètres thermodynamiques

Solid-state hydrogen storage

Mg/MgH2 system

Transition metal complexes

Sorption kinetics

Thermodynamic parameters

Résumé

Le développement de l’hydrogène en tant que nouveau vecteur d’énergie demande de pouvoir le stocker à grande échelle, dans des conditions d’encombrement, de coût énergétique et de sécurité acceptables. Le stockage sous forme solide dans des hydrures métalliques réversibles, constitue une solution particulièrement sûre et intéressante pour des applications dans le secteur des transports. Parmi de nombreux matériaux possibles, le système Mg/MgH2, constitue l’un des meilleurs candidats : abondant, bon marché, capacité de stockage réversible et élevée (7,6 % H2 en masse). Son utilisation à l’échelle industrielle est néanmoins limitée par les cinétiques de sorption très lentes et la stabilité thermodynamique importante (enthalpie de formation élevée) nécessitant des températures de fonctionnement supérieure à 300 °C. Ce projet vise au développement de composites à base de MgH2 et d’additifs avec des propriétés de stockage améliorées. L’originalité des travaux menés repose sur le type d’additifs choisi, les complexes de métaux de transition (centre métallique : Ni et Ru, ligands organiques : phosphines). En effet, ces derniers ne sont pour le moment que très peu utilisés dans la littérature. L’objectif de ce travail de thèse est donc d’explorer leur potentiel et leur efficacité pour améliorer les propriétés de stockage du système Mg/MgH2. Différents composites "MgH2 + complexe" ont été préparés par broyage et imprégnation et les cinétiques de sorption des systèmes obtenus ainsi que leurs paramètres thermodynamiques ont été déterminés par analyse thermique (DTP, DSC, PCT). Enfin, de nombreuses techniques de caractérisation physico-chimiques (DRX, RMN, XPS, MEB, MET) ont été utilisées afin de comprendre les phénomènes se déroulant lors de l’hydrogénation et la déshydrogénation des composites préparés. Le meilleur système « MgH2 + complexe » préparé durant ce travail (MgH2 dopé avec 20 % du complexe NiHCl(PCy3)2) est capable d’absorber 6 % en masse d’H2 à 100 °C en 30 min et de libérer son hydrogène sous vide à 200 °C. Les énergies d’activation apparentes et enthalpies de formation de ce composite sont respectivement de 22 et –65 kJ/mol H2 pour l’hydrogénation (contre 200 et –74,7 kJ/mol H2 pour du Mg commercial) et de 127 et 63 kJ/mol H2 pour la déshydrogénation (contre 239 et 74,7 kJ/mol H2 pour du MgH2 commercial)

Although hydrogen is widely recognized as a promising energy carrier, its widespread adoption as alternative to fossil fuels depends critically on the ability to store hydrogen at adequate densities, cost and security. Application devices are far from a valuable technology, and fundamental research is still required. In this regard, solid-state systems present the advantage of denser and safer hydrogen storage. Among them, Mg/MgH2 is considered as a highly promising material in terms of reversibility, cost, gravimetric and volumetric capacity. However, high thermodynamic stability (high formation enthalpy) and slow hydrogen sorption kinetics limits its practical applications.This project aims to develop Mg/MgH2-based systems with improved hydrogen storage properties thanks to the use of additives. The originality of this work is brought by the kind of additive chosen, transition metal complexes (Ni and Ru based, with phosphine ligands). Indeed, they are, for now, only very little used in the literature. The objective of this work is therefore to study their potential and their efficiency to improve the hydrogen storage properties of the Mg/MgH2 system. Different “MgH2 + complex” composites were prepared by ball milling and impregnation method and the sorption kinetics and thermodynamic parameters of the formed systems were studied by TPD, DSC and PCT analyses. Finally, XRD, NMR, XPS, SEM and TEM techniques were used to understand the phenomena taking place during the hydrogenation and the dehydrogenation of the prepared composites.The best “MgH2 + complex” system prepared during this work (MgH2 doped with 20 wt% of NiHCl(PCy3)2 complex) is able to absorb 6 wt% of H2 at 100 °C in 30 min, and to release the stored hydrogen at 200 °C under vacuum. The apparent activation energies and the formation enthalpies of the composite are respectively of 22 and –65 kJ/mol H2 for the hydrogenation reaction (against 200 and –74,7 kJ/mol H2 for commercial Mg) and of 127 and 63 kJ/mol H2 for dehydrogenation (against 239 and 74,7 kJ/mol H2 for commercial MgH2).