Mg/transition-metal nanomaterials for efficient hydrogen storage

par Pavel Rizo

Thèse de doctorat en Structures et Matériaux

Sous la direction de Fermin Cuevas et de Michel Latroche.

Soutenue le 19-12-2018

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (Thiais, Val-de-Marne) (laboratoire) et de Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est / ICMPE (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Bobet.

Le jury était composé de Fermin Cuevas, Michel Latroche.

Les rapporteurs étaient Jose-Francisco Fernandez, Salvatore Miraglia.

  • Titre traduit

    Nanomatériaux à base de magnésium et de métaux de transition pour un stockage efficace de l'hydrogène


  • Résumé

    Nanomatériaux à base de magnésium et de métaux de transition pour un stockage efficace de l'hydrogène. Le magnésium est un élément de choix pour le stockage de l’hydrogène à l’état solide en raison de sa grande abondance dans la croûte terrestre et de ses fortes capacités de sorption massique et volumétrique de l’hydrogène. Cependant, la réaction de sorption souffre d'une cinétique lente et l'hydrure formé est trop stable pour des applications fonctionnant sous conditions ambiantes. Le premier problème peut être résolu en développant des composites associant deux hydrures, MgH2 et TiH2, à l'échelle nanométrique. Ces matériaux sont synthétisés par broyage mécanique sous atmosphère réactive. Cette technique permet la formation des nanocomposites et leur hydrogénation en une seule étape. De plus, ces matériaux peuvent être produits à grande échelle pour les besoins des applications. Les travaux ont été menés en trois parties : i) l’optimisation de la teneur en TiH2 dans le système (1-y)MgH2+yTiH2. Ceci a été accompli en ajustant la teneur en titane (0,0125 ≤ y ≤ 0,3 mole), tout en conservant une bonne cinétique, une réversibilité de l'hydrogène et une durée de vie utile. Les données montrent que la valeur y = 0,025 offre le meilleur compromis pour développer les propriétés les plus adéquates; ii) l'extension à d’autres métaux de transition pour le système 0,95MgH2 + 0,05TMHx (TM: Sc, Y, Ti, Zr, V et Nb), en évaluant la contribution de chaque additif sur la cinétique, sur la réversibilité de l'hydrogène et sur la durée de vie en cyclage; iii) la conception d'un dispositif de cyclage automatique capable de réaliser des centaines de sorption/désorption dans le but de mesurer la durée de vie des hydrures métalliques. Le travail a été effectué à l'aide de nombreuses méthodes expérimentales. Pour la synthèse, le broyage réactif sous atmosphère d'hydrogène a été principalement utilisé. La structure cristalline et la composition chimique des nanomatériaux ont été obtenues à partir de l'analyse par diffraction des rayons X (DRX). La taille et la morphologie des particules ont été déterminées par microscopie électronique à balayage et spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (SEM / EDS). Les propriétés thermodynamiques, cinétiques et cycliques de la sorption d'hydrogène ont été déterminées par la méthode de Sieverts


  • Résumé

    Mg/transition-metal nanomaterials for efficient hydrogen storageMagnesium metal is a prominent element for solid-state hydrogen storage due to its large abundance in earth’s crust and its high weight and volumetric hydrogen uptakes. However, hydrogen sorption suffers from sluggish kinetics and the formed hydride is too stable for applications working under ambient conditions. The former issue can be solved by developing composites combining two hydrides, MgH2 and TiH2 at the nanoscale. These materials are synthesized by mechanical milling under reactive atmosphere. By this technique, the formation of nanocomposites and their hydrogenation can be obtained in a single-step. Moreover, these materials can be produced at large scale for application purposes. The work focused on three topics: i) the optimization of the TiH2 content in the (1-y) MgH2+yTiH2 system. This was accomplished by optimizing the titanium content (0.0125≤y≤0.3 mole), while keeping good kinetics, hydrogen reversibility and cycle-life. The data show that y=0.025 is the best compromise to fulfill the most practical properties; ii) the extension to other transition metals for the system 0.95MgH2+0.05TMHx (TM: Sc, Y, Ti, Zr, V and Nb), evaluating the contribution of each additive to kinetics, hydrogen reversibility and cycle-life; iii) the conception of an automatic cycling device able to carry out hundreds of sorption cycles whit the aim of measuring the cycle-life of metal hydrides. The work was done using manifold experimental methods. For synthesis, reactive ball milling under hydrogen atmosphere was primarily used. The crystal structure and the chemical composition of nanomaterials was determined from X-ray diffraction (XRD) analysis. Particle size and morphology were obtained by Scanning Electron Microscopy / Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (SEM/EDS). Thermodynamic, kinetic and cycling properties toward hydrogen sorption were determined by the Sieverts method


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