Dépôt de couches atomiques pour les membranes séparatives d'hydrogène

Atomic Layer Deposition for novel hydrogen separationmembranes

• Auteur / Autrice : Lucie Badouric
• Direction : Mikhael Bechelany, Anne Julbe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DM3 - Design des Matériaux Membranaires et systèmes Multifonctionnels

Mots clés

Mots clés libres

Membrane

Dépôt de couches atomiques

Hydrogène

Nanomatériaux

Membrane

Atomic Layer Deposition

Hydrogen

Nanomaterials

Résumé

L'hydrogène a attiré beaucoup d'attention ces dernières années. L'hydrogène est produit à partir de sources telles que l'eau, la biomasse ou les combustibles fossiles. Des réactions chimiques sont donc nécessaires pour rompre les liaisons hydrogène et libérer l'hydrogène moléculaire; ce faisant, il se forme généralement un mélange gazeux à plusieurs composants. Pour obtenir de l'hydrogène de haute pureté pour les utilisateurs finaux, le mélange gazeux est traité avec plusieurs techniques de séparation, c'est-à-dire une adsorption modulée en pression ou une filtration avec des membranes poreuses ou denses. Une nouvelle conception de membrane et / ou de nouvelles stratégies de développement de membranes sélectives H2 sur des supports poreux sont nécessaires de toute urgence, de préférence avec une plage de température étendue pour les applications de séparation de gaz et idéalement avec une bonne résistance au monoxyde de carbone et aux composés soufrés. Ce projet se concentre sur le développement de nouvelles membranes à couches minces permettant la purification efficace de H2, et vise à faciliter leur utilisation à différentes plages de température. Ce projet propose de développer une nouvelle stratégie permettant le revêtement de substrats céramiques poreux tubulaires avec des films minces hautement conformes visant à leur future utilisation industrielle à différentes températures. Par rapport aux membranes plans, la configuration tubulaire augmente également la zone active et son potentiel pour des applications industrielles. Ainsi, le dépôt en couches minces de ces membranes de manière continue et conforme sur des substrats tubulaires représentera une réelle avancée, répondant à un besoin industriel. Afin de réaliser la préparation des nanomatériaux, la technique de dépôt de couche atomique (ALD) sera utilisée. ALD est une technique de dépôt en phase vapeur permettant la synthèse de films ultra-minces avec un contrôle d'épaisseur subnanométrique et une haute conformabilité, une technique unique permettant le revêtement de substrats 3D difficile avec une couche conforme et uniforme d'un matériau de haute qualité, ce qui n'est pas réalisable avec d'autres méthodes comme le PVD ou le CVD conventionnel. Ces caractéristiques uniques rendent l'ALD attrayante pour des applications telles que les membranes pour la séparation d'hydrogène. Les principaux objectifs de ce projet sont de développer de nouvelles voies ALD pour lafabrication de membranes de séparation d'hydrogène, visant leur applicabilité dans des plagesde températures basses, moyennes et élevées.

THydrogen has attracted a lot of attention in the recent years as it represents a serious alternative clean energy carrier in future. Although many technological and economical challenges still need to be solved, it has been predicted that hydrogen will be used as one of the main energy carriers in coming decades. Hydrogen is produced from sources like water, biomass or fossil fuels. Chemical reactions are therefore necessary to break apart the hydrogen bonds and release the molecular hydrogen (H2), generally obtained as a constituent within a multicomponent gas mixture. In order to provide high purity H2 to end-users, the gas mixture has to be purified with several separation techniques, i.e. usually pressure swing adsorption or filtration with porous or dense membranes. New membrane design and/or new strategies for developing affordable/robust H2-selective membranes are urgently required, preferably with an extended temperature range for gas separation operation (relevant for the focused applications) and ideally with a good resistance to carbon monoxide, carbon dioxide, steam and other poisoning compounds (such as sulfur based species). The present project embraces the “hydrogen society” concept by proposing a novel strategy for H2 separation allowing the coating of industrially relevant tubular porous ceramic substrates with highly conformal thin films of different materials aiming to their future industrial use at different temperatures. When compared to planar ceramic membranes, the tubular configuration offers a good compromise for obtaining a high active membrane area, a good packing density (surface area per m3), a good mechanical stability and also easy handling and sealing, highly relevant conditions for industrial scalability. Thus, the deposition of continuous and conformal thin films on tubular substrates will represent a real breakthrough, matching an industrial and pressing need. In order to achieve the preparation of the above mentioned membranes, atomic layer deposition (ALD) technique will be used. ALD is a vapor phase deposition technique enabling the synthesis of ultrathin films with a subnanometer thickness control and high conformability. It is a unique technique allowing the coating of challenging 3D substrates with a conformal and uniform layer of high quality materials, which is not achievable with other deposition methods like PVD or conventional CVD. These unique characteristics make ALD appealing for applications like H2 separation membranes. The ultimate objective of this project is to develop novel ALD routes for the fabrication of H2 separation membranes, aiming to their applicability in low, medium and high temperature ranges.