Modélisation thermodynamique d'alliages multicomposants pour le stockage d'hydrogène assistée par des méthodes ab initio.

Thermodynamic modeling of multicomponent alloys for hydrogen storage assisted by ab initio methods.

• Auteur / Autrice : Otávio Abreu pedroso
• Direction : Yannick Champion, Guilherme Zepon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Universidade Federal de São Carlos
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Hydrures métalliques

Alliages multicomposants

Modèle thermodynamique

Metal hydrides

Multicomponent alloys

Thermodynamic model

Résumé

L'hydrogène est devenu un candidat pour le stockage de l'énergie produite par des sources propres. Cependant, le stockage et le transport de l'hydrogène gazeux sont difficiles. En solution, les hydrures métalliques ont été étudiés pour le stockage à l'état solide. Dans ce contexte, les alliages multicomposants se sont révélés prometteurs, car ils permettent l'ajustement des propriétés en explorant le vaste champ compositionnel accessible. Récemment, Zepon et al. a proposé un modèle thermodynamique pour le calcul des diagrammes pression-composition-température (PCT) des alliages multicomposants cubiques centrés sur le corps (CCC), qui a été implémenté dans un code open-source en Python. Le modèle vous permet de calculer des diagrammes PCT pour les alliages contenant les éléments : Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Hf et Ta. L'importance du modèle et du développement open source vient du besoin d'outils pour aider à la conception d'alliages multi-composants pour le stockage de l'hydrogène. En comparant les diagrammes calculés avec les données expérimentales, il a été conclu que le système Ti-V-Nb-Cr est raisonnablement bien décrit par le modèle, montrant des résultats prometteurs. Cependant, d'autres systèmes montrent encore des divergences concernant les données expérimentales. Pour améliorer le modèle et le code, ce travail étudiera l'influence de différents sites interstitiels (tétraédriques et octaédriques) des alliages composants du système Ti-V-Nb-Cr-Ta sur les propriétés thermodynamiques d'intérêt pour le calcul des diagrammes PCT. Des calculs ab initio utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) seront utilisés pour calculer les énergies supercellulaires totales des structures cristallines de certains alliages du système Ti-V-Nb-Cr-Ta, en tenant compte de différentes teneurs en hydrogène et de différentes configurations par rapport à l'espace interstitiel occupé. sites par des atomes d'hydrogène. Certains alliages de ce système seront sélectionnés, synthétisés par fusion à l'arc, caractérisés structurellement, et verront les diagrammes PCT mesurés expérimentalement. Ainsi, il sera possible de comparer les résultats calculés avec des mesures expérimentales.

Hydrogen has become a candidate for the storage of energy produced by clean sources. However, the storage and transport of gaseous hydrogen are challenging. As a solution, metal hydrides have been studied for storage in solid-state. In this context, multicomponent alloys have shown to be promising, as they allow the adjustment of properties exploring the vast compositional field accessible. Recently, Zepon et al. proposed a thermodynamic model for the calculation of pressure-composition-temperature (PCT) diagrams of body-centered cubic multicomponent alloys (CCC), which was implemented in an open-source code in Python. The model allows you to calculate PCT diagrams for alloys containing the elements: Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Hf, and Ta. The importance of model and open source development comes from the need for tools to aid the design of multi-component alloys for hydrogen storage. By comparing the calculated diagrams with experimental data, it was concluded that the Ti-V-Nb-Cr system is reasonably well described by the model, showing promising results. However, other systems still show discrepancies concerning the experimental data. To improve the model and code, this work will investigate the influence of different interstitial sites (tetrahedral and octahedral) of component alloys of the Ti-V-Nb-Cr-Ta system on the thermodynamic properties of interest for the calculation of PCT diagrams. Ab initio calculations using density functional theory (DFT) will be used to calculate total supercell energies of the crystal structures of some alloys of the Ti-V-Nb-Cr-Ta system, considering different hydrogen contents and different configurations in relation to occupied interstitial sites by hydrogen atoms. Some alloys of this system will be selected, to be synthesized by arc fusion, structurally characterized, and will have the PCT diagrams measured experimentally. Thus, it will be possible to compare the calculated results with experimental measurements.