Etude de la stabilité thermique de l’ammoniaborane : de la synthèse aux caractérisations thermogravimétriques et spectroscopiques

par Jean-Fabien Petit

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Philippe Miele.

Soutenue le 24-03-2015

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut Européen des membranes (Montpellier) (laboratoire) .


  • Résumé

    Les matériaux à base de bore et d'azote présentent un grand potentiel et donc un grand intérêt pour des applications énergétique et en particulier dans le domaine du stockage de l'hydrogène. L'ammoniaborane (NH3BH3) s'est révélé, au milieu des années 2000, comme un matériau avec une grande capacité gravimétrique (19,6%m) et volumétrique (140 g.L-1) en hydrogène. Au cours de l'analyse de la bibliographie nous nous sommes aperçus que tous les travaux sur l'ammoniaborane portés sur sa déstabilisation thermique, nous avons donc choisi une approche originale en nous concentrant sur la stabilisation thermique de l'ammoniaborane. Mon travail de thèse a consisté à revisiter la synthèse de l'ammoniaborane pour en dégager les meilleurs paramètres de synthèse (précurseurs de bore et d'azote, solvant et température) possible en vue d'obtenir une température de début de déshydrogénation la plus haute possible. En effet, en faisant varier certains précurseurs nous avons pu observer une modification de la température de début de déshydrogénation et donc de la stabilité thermique de l'ammoniaborane. Après avoir déterminé les meilleurs paramètres de synthèses nous avons entrepris une étude thermique et thermolytique afin de comprendre quel(s) facteur(s) étai(en)t à l'origine de cette différence de stabilisation. Pour cela nous avons effectué une étude d'analyse thermogravimétrique couplée à un spectromètre de masse afin de déterminer le mécanisme de déshydrogénation et une étude en conditions isotherme afin de vérifier la stabilité des ammoniaboranes que nous avons synthétisés. Dans un troisième temps nous avons effectué une étude spectroscopique de surface, grâce à l'XPS et du matériau dans son ensemble, grâce à la RMN-MAS à l'état solide des noyaux de bore 11 et d'azote 15. Ces études nous ont permis de déterminer un nouveau mécanisme de déshydrogénation de l'ammoniaborane pour des expériences en conditions isotherme.

  • Titre traduit

    Thermal stability study of ammonia borane : from synthesis to thermogravimetric and spectroscopy charaterizations


  • Résumé

    Boron and nitrogen based-materials offer a great potential and interest in energy applications and in particular in the field of hydrogen storage. The ammonia borane (NH3BH3) was revealed, in the mid 2000s, as a material with high gravimetric (19.6%m) and volumetric (140 g.L-1) capacities in hydrogen. During the analysis of the literature we realized that all studies on ammonia borane treated on its thermal destabilization, so we chose an original approach by focusing our work on the thermal stabilization of ammonia borane. My thesis work focused on the synthesis of ammonia borane to identify the best synthesis parameters (boron and nitrogen precursors, solvent, and temperature) for the highest possible onset temperature. Indeed, by varying some precursors we observed a change in the onset temperature and therefore in the thermal stability of the ammonia borane. After determining the best synthesis parameters we undertook thermal and thermolytic studies to understand which factor(s) is(are) responsible for the stabilization's differences. For this, we performed thermogravimetric analysis coupled to mass spectrometer studies to determine the dehydrogenation mechanism and studies in isothermal conditions to verify the stability of our ammonia boranes. Thirdly we performed a spectroscopic study by XPS and solid state MAS-NMR of boron 11 and nitrogen 15. These studies allowed us to identify a new mechanism of dehydrogenation of ammonia borane for experiments in isothermal conditions.



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