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RÉSUMÉ
Parmi les matériaux pouvant former des hydrures métalliques, cet article dresse le bilan d’une nouvelle classe d’alliages désignés comme multi-élémentaires ou à haute entropie. Ces alliages, en rupture avec le paradigme métallurgique conventionnel, sont constitués de plusieurs éléments majoritaires concentrés. Les diverses méthodes de préparation, de caractérisation physicochimique et d’analyse des propriétés d’absorption/désorption de l’hydrogène de ces matériaux sont brièvement décrites. Ces outils assurent au lectorat une compréhension rapide et claire des enjeux liés à la recherche de nouveaux alliages multi-élémentaires pour le stockage de l’hydrogène présentés à la dernière section.
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Claudia Zlotea : Chargée de recherche CNRS - Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est, CNRS, Thiais, France
INTRODUCTION
Dans le contexte environnemental et énergétique actuel, l’hydrogène pourrait devenir un vecteur d’énergie propre afin de réaliser la décarbonation de l’économie et d’assurer une croissance écologique de l’industrie. Parmi les défis à relever liés au déploiement de l’hydrogène décarboné (production, distribution et transport, usage), le stockage compact, sûr et efficace reste une technique à développer pour des applications pratiques. Afin de répondre simultanément à ces critères clés, la méthode de stockage sous forme « solide » dans des hydrures métalliques est très prometteuse. Parmi les plusieurs types de matériaux hydrurables actuellement à l’étude, cet article présente les résultats d’une nouvelle classe, les alliages multi-élémentaires, aussi appelés à haute entropie, qui ont récemment affiché des performances très intéressantes. L’étude de l’absorption et de la désorption réversible de l’hydrogène dans ces nouveaux alliages est assez récente, une dizaine d’années, avec un tournant en 2016 qui marque la découverte de l’alliage TiVZrNbHf pouvant stocker 2,5 H/M (atome d’hydrogène par atome de métal). Cette valeur dépasse le 2,0 H/M dans les hydrures métalliques élémentaires ou d’autres alliages conventionnels. Après une introduction générale du domaine, une description des différentes méthodes de synthèse et de caractérisation de ces alliages est présentée, suivie d’une revue des performances des meilleures compositions. Plusieurs aspects sont abordés : la capacité maximale et réversible, les propriétés thermodynamiques et cinétiques, la stabilité en cyclage. Les possibilités de composition dans les diagrammes de phase multidimensionnels sont cependant extrêmement vastes et la recherche expérimentale incrémentale limitée. Dans le futur, un effort de recherche s’avère nécessaire pour prédire les meilleures compositions et pour rationaliser les tendances observées expérimentalement en s’appuyant sur des approches théoriques.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des notations utilisées.
Domaine : Matériaux solides pour le stockage de l’hydrogène
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Élaboration de matériaux métalliques, caractérisations physicochimiques, mesures d’absorption/désorption d’hydrogène
Principaux acteurs français :
Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE), CNRS-UPEC 2-8 rue Henri Dunant, Thiais
Institut Néel, CNRS-UGA, 25 rue des Martyres, Grenoble
Autres acteurs dans le monde :
Université d’Uppsala, Département de Chimie, Laboratoire Ångström, Box 538 751 21 Uppsala, Suède
Université Fédérale de São Carlos, Département d’Ingénierie des Matériaux, Rodovia Washington Luis, km 235 – São Carlos, Brésil
Université du Québec à Trois rivières, Département de Chimie, Biochimie et Physique, 3351, boulevard des Forges, Trois-Rivières, Québec, Canada
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6. Revue sur les alliages à haute entropie
Ce chapitre présente les performances de stockage d’hydrogène dans certains alliages à haute entropie rapportés dans la littérature. Il ne s’agit pas d’une revue exhaustive mais d’une sélection des compositions les plus intéressantes. Deux classes principales de matériaux seront abordées selon leur structure cristalline : les alliages adoptant une structure CC et les intermétalliques, plus précisément, les compositions AB2 aussi connues sous le nom de phases de Laves. Il faut pourtant préciser que les alliages CC sont les plus étudiés en raison de leurs propriétés prometteuses, pour cette raison, ils seront plus amplement détaillés par la suite.
6.1 Solutions solides cubiques centrées
Les métaux purs et les alliages conventionnels adoptant une structure CC sont étudiés depuis longtemps pour le stockage de l’hydrogène grâce à leurs importantes capacités pouvant aller jusqu’à 2,0 H/M (phase appelée di-hydrure). L’exemple emblématique est le V qui peut absorber l’hydrogène jusqu’à 3,8 % massique pour former l’hydrure VH2. Les alliages CC à base de Ti et V pouvant aussi contenir d’autres métaux de transition ont été également très étudiés, leurs capacités maximales sont autour de 3 à 3,5 % en masse . Néanmoins, leur grand désavantage réside dans le fait que ces matériaux présentent deux plateaux de pression correspondant à deux réactions successives avec l’hydrogène : la première a lieu à basse pression pour former un hydrure intermédiaire avec une capacité autour de 1,0 H/M (phase appelée mono-hydrure) et la seconde a lieu à plus haute pression et transforme l’hydrure intermédiaire en un hydrure d’une capacité maximale autour de 2,0 H/M (di-hydrure). Dans la pratique, cela implique une utilisation du deuxième plateau uniquement
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Revue sur les alliages à haute entropie
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ZÜTTEL (A.), REMHOF (A.), BORGSCHULTE (A.), FRIEDRICHS (O.) - Philos. Trans. R. Soc. Math. Phys. Eng. Sci. - 368 3329–3342 (2010).
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(2) - EBERLE (U.), FELDERHOFF (M.), SCHUTH (F.) - Angew. Chem.-Int. Ed. - 48 6608–6630 (2009).
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(3) - ZÜTTEL (A.) - Naturwissenschaften - 91 157–172 (2004).
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(4) - KLEBANOFF (L.) ed - Hydrogen Storage Technology Materials and Applications, - CRC Press (2016).
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(5) - HIRSCHER (M.) et al - J. Alloys Compd. - 827 153548 (2020).
-
(6) - YEH (J.) et al - Adv. Eng. Mater. - 6 299–303 (2004).
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