Thèse en cours

Dépôt de couches atomiques pour les membranes séparatives d'hydrogène

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AttentionLa soutenance a eu lieu le 18/12/2024. Le document qui a justifié du diplôme est en cours de traitement par l'établissement de soutenance.
Auteur / Autrice : Lucie Badouric
Direction : Mikhael BechelanyAnne Julbe
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
Date : Inscription en doctorat le
Soutenance le 18/12/2024
Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels
Jury : Président / Présidente : Lionel Santinacci
Examinateurs / Examinatrices : Mikhael Bechelany, Catherine Marichy, Anne Julbe, Martin Drobek, Romain Coustel
Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Marichy, Romain Coustel

Résumé

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L’hydrogène est apparu ces dernières années comme un vecteur énergétique prometteur afin de pallier aux pénuries imminentes des énergies fossiles ainsi qu’à l’intermittence des énergies renouvelables. Le dihydrogène est généralement obtenu à l’aide de processus engendrant des impuretés gazeuses tels que du méthane, du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, ou des composés soufrés. Des méthodes de filtration d’hydrogène durables et efficaces sont donc nécessaires pour permettre le transport, le stockage et l’utilisation de l’hydrogène. Ces travaux de thèse se concentrent sur la préparation de membranes sélectives à l’hydrogène synthétisé par dépôt de couche atomiques/moléculaires (ALD/MLD). Toutes les membranes présentées sont portées par des supports tubulaires asymétriques poreux en alumine assurant leur résistance mécanique et leur potentiel application en milieu industriel. Une première membrane à base de palladium déposé par ALD a été synthétisé avec l’ajout d’un dépôt préalable d’alumine par ALD. Cela a permis une meilleure nucléation du palladium ainsi qu’une meilleure séparation de l’hydrogène. La composition et la morphologie de la couche ont été étudié par spectroscopie de photoélectrons par rayons-X (XPS), diffraction des rayons-X (DRX) et microscopie à force atomique (AFM). Puis, la stabilité en présence d’un contaminant toxique comme le monoxyde de carbone (CO) a été suivie par des mesures de perméation en mélange de gaz. De plus, cette membrane se distingue par sa résistance aux descentes de température, ce qui n’est pas le cas de la plupart des membranes denses de palladium. Ici, la membrane mise au point conserve ses performances de séparation après un cycle complet de montée et descente en température, augmentant ses possibilités d’applications. En parallèle, une deuxième membrane à base d’une couche hybride organique-inorganique d’alucone a été synthétisée par MLD. Après optimisation des conditions de traitement thermique de la couche, un réseau microporeux essentiellement composée d’alumine est obtenue dans/sur la couche mésoporeuse du support. Le processus de formation de la couche poreuse a été étudié par analyse thermogravimétrique (ATG), spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier (FT-IR) et XPS et un pouvoir de séparation prometteur a été observé en perméation de gaz. Enfin, des premiers essais pour protéger la membrane de palladium précédemment développée contre l’empoisonnement au CO ont été réalisés. Une couche d’oxyde de nickel (NiO) a alors été déposé par ALD sur la couche de palladium, et des mesures de perméation en mélange de gaz ont été faits. Enfin, des tests pour utiliser la membrane à base d’alumine poreuse comme barrière de protection contre le CO ont été menés. Malgré des performances globalement moindres pour les membranes de palladium protégées, une bonne régénération des membranes après exposition au CO ainsi qu’un facteur de séparation H2/CO relativement élevé, dans le cas de la protection par alumine poreuse, sont des résultats préliminaires intéressants.