Nouveaux matériaux intermétalliques d'intercroissance pour le stockage d'hydrogène dans des condition ambiantes.

New intermetallic intergrowth compounds for hydrogen storage under ambient conditions.

• Auteur / Autrice : Ghofrane Fedlouk
• Direction : Junxian Zhang, Judith Monnier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : Paris 12
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICMPE - Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Métallurgie et Matériaux Inorganiques

Mots clés

Mots clés libres

Stockage d'énergie

Stockage d'hydrogène

Composés d'intercroissance

Stockage réversible

Energy storage

Compounds with intergroth structure

Reversible storage

Hydrogen storage

Résumé

De nouveaux alliages sont apparus dans les années 2000 permettant d'accroitre les capacités de stockage solide de l'hydrogène des hydrures métalliques. Ces composés sont basés sur des structures d'intercroissance de type AB3, A2B7 et A5B19, A étant un lanthanide, Y ou Mg et B un métal de transition. Ces phases sont formées de couches [AB5] et [A2B4] empilées alternativement le long de l'axe c. Les alliages AB2 (couches [A2B4]) sont connus pour avoir une capacité d'absorption d'H2 élevée mais une stabilité limitée, tandis que les alliages AB5 (couches [AB5]) présentent une durée de vie remarquable mais une capacité plus modeste. Par la combinaison cristallographique de ces deux couches de base, une capacité plus élevée ainsi qu'une meilleure durée de vie peuvent être obtenues pour ces alliages. Le sujet de thèse est de développer autres composés d'intercroissance m[A2B4]+n[AB5] (m, n : entiers) qui atteint des capacités de stockage intéressantes pour les applications. Toutefois, un verrou identifié reste celui d'une différence de pression importante entre les différents plateaux de sorption des alliages binaires ABx, malgré leur grande capacité d'absorption. Le jeu des substitutions, notamment de A par Mg, mais aussi de B par Mn, Al ou Co, réduit spectaculairement le nombre de plateaux (jusqu'à 3) pour conduire à un unique plateau dans des conditions ambiantes. La richesse des possibilités d'empilement (structure) ainsi que de la chimie très riche de ces alliages (composition) permettra d'augmenter leur performance de stockage. L'objectif de ce sujet de thèse est de développer une nouvelle famille de composés de type (La, Y, Mg)(Ni, Mn, Al, Co)x offrant une grande capacité de stockage et une bonne stabilité pour l'application à température ambiante. A la fin du projet, plusieurs composés optimisés seront produits pour attendre une capacité réversible de 2%mass. et de 140 g/L dans un domaine d'application donnée (T = -10°C - 80°C ; P = 2-10 bar) et une durée de vie de 100 cycles.

Management of clean renewable energies and electromobility requires efficient energy storage systems. Hydrogen is considered as attractive energy carrier and its storage remain a main challenge for new hydrogen economy. Since two decades, the compounds with stacking structure type ABy (A = rare earth, or Mg, 2 < y < 5, B = Ni, Mn, Al, Co) hydrogen storage alloys with various stoichiometries have been considered as new candidates for reversible hydrogen storage with high capacity. These compounds can be considered as the stacking of two fundamental layers along the c crystallographic axis: [A2B4] and [AB5]. ABy can be shown as stacking of n [AB5] and one m [A2B4] layers (being n and m a integer number). For n = 1, 2 and 3, m = 1, we have AB3, A2B7 and A5B19 compounds. The stacked structures obtained by combining the two subunits [AB5] and [A2B4] makes ABy compounds attractive due to the potential high H capacity of [A2B4] subunits and good activation performance and long cycle life of [AB5] subunits. The challenge remains tuning their thermodynamic properties by playing the substitution A-element by other rare earth or Mg, B-element by other transition metals like Mn, Co or Al. The large possibility of substitution and possible new structure offer high capacity and suitable thermodynamic properties for hydrogen storage application. The project aims developing new compounds type (La, Y, Mg)(Ni, Mn, Al, Co)x provides a reversible specific capacity of 2 wt. % and volumetric capacity of 140 g/L inside the application condition (T= -10°C - 80°C ; P = 2-10 bar) with cyclability of 100 cycles.