Auteur / Autrice : | Nayely Pineda romero | |
Direction : | Claudia Zlotea | |
Type : | Projet de thèse | |
Discipline(s) : | Sciences des Matériaux | |
Date : | Inscription en doctorat le | Soutenance le 22/01/2024 |
Etablissement(s) : | Paris 12 | |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement | |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : ICMPE - Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est | |
Equipe de recherche : Métallurgie et Matériaux Inorganiques | ||
Jury : | Président / Présidente : Jean-Philippe Couzinie | |
Examinateurs / Examinatrices : Claudia Zlotea, Laetitia Laversenne, Yannick Champion, Martin Sahlberg | ||
Rapporteurs / Rapporteuses : Laetitia Laversenne, Yannick Champion |
Mots clés
Mots clés libres
Résumé
L'hydrogène propre, en tant que vecteur énergétique, a le potentiel de décarboniser les secteurs économiques où les émissions sont difficiles à réduire, tels que l'industrie lourde et les transports longue distance. L'hydrogène vert représente donc une opportunité d'atténuer le réchauffement climatique, car il s'agit d'un carburant sans carbone dont la densité énergétique (120 MJ/Kg) est trois fois supérieure à celle de l'essence. Cependant, la situation change lorsque l'on considère sa très faible densité volumétrique par volume, et son stockage reste un défi majeur. Parmi les différentes technologies de stockage de l'hydrogène disponibles, les formes à l'état solide telles que les hydrures métalliques sont de bons candidats pour diverses raisons, notamment des pressions de fonctionnement plus sûres et des densités volumétriques plus élevées que le gaz comprimé ou l'hydrogène liquide. Une nouvelle classe de matériaux connus sous le nom d'alliages métalliques multi-élémentaires (MPEA) ou d'alliages à haute entropie (HEA) peut fournir les performances nécessaires pour soutenir une variété d'applications technologiques, y compris le stockage de l'hydrogène. Toutefois, des travaux sont encore nécessaires pour améliorer leurs propriétés d'hydrogénation et pour concevoir des alliages à haute entropie capables de fonctionner à la température ambiante de fonctionnement tout en maximisant la capacité de stockage de l'hydrogène. L'objectif de ce projet est d'étudier les stratégies de déstabilisation par l'ajout d'Al en tant qu'élément léger dans différents MPEA basés sur des métaux réfractaires tels que Ti-V-Nb. L'extension de cette stratégie, c'est-à-dire un contrôle plus poussé de la thermodynamique de la formation d'hydrures, est également étudiée dans ce projet par l'ajout de Mo, un élément ayant une faible affinité pour l'hydrogène. La variation de la teneur en Al/Mo dans l'alliage ternaire TiVNb a permis de mettre en évidence l'effet de la composition chimique sur la structure, les propriétés physicochimiques et d'hydrogénation. Ces alliages ont été préparés par la méthode de fusion à l'arc et cristallisent dans une structure cubique-centrée (cc) simples avec des capacités maximales comprises entre 0,6 et 2,0 H/M (0,9 et 3 % en poids). La déstabilisation thermodynamique due à l'ajout d'Al/Mo dans le TiVNb a été démontrée expérimentalement et prédite par une approche d'apprentissage automatique (développée par les Sandia National Laboratories). Des effets stériques et chimiques peuvent être invoqués pour expliquer ce comportement. Les transitions de phase pendant l'absorption/désorption de l'hydrogène ont été étudiées à l'aide des grands instruments (source de neutrons et rayonnement synchrotron) et des équipements de laboratoire, confirmant une réaction réversible en deux étapes cc ↔ cc monohydrure ↔ cubique à faces centrées (cfc) dihydrure. Les propriétés de cyclage ont été évaluées pour des compositions sélectionnées qui présent une capacité réversible stable (~2,5-2,8 % en poids). La structure locale a été étudiée et reste inchangée, mais l'introduction de défauts dus au processus de cyclage a été révélée. Le Cr ajouté dans des compositions sélectionnées comme perspective pour poursuivre létude a montré une déstabilisation supplémentaire sans affecter la capacité. Ces résultats montrent que l'utilisation de petites quantités d'Al/Mo/Cr dans les HEA réfractaires améliore les propriétés d'hydrogénation et constitue une stratégie de design efficace pour déstabiliser la formation d'hydrures tout en maintenant une capacité élevée de stockage d'hydrogène.