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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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Among the materials that can form metal hydrides, this article reviews a new class of alloys named multi-principal element or high entropy alloys. These alloys consist of several concentrated major elements, in contrast with the conventional metallurgical paradigm. The various methods of preparation, physicochemical characterization, and analysis of the hydrogen absorption/desorption properties of these materials will be briefly described. These tools will ensure the readership a rapid and clear understanding of the issues related to the research in the field of multi-principal elemental alloys for hydrogen storage presented in the last section.
Auteur(s)
-
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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KEYWORDS
hydrogen storage | metal hybride | high entropy alloys
DOI (Digital Object Identifier)
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7. Conclusions et perspectives
En conclusion, les recherches sur les alliages à haute entropie hydrurables pour le stockage de l’hydrogène n’en sont qu’à leur début mais, d’ores et déjà, certaines compositions démontrent des performances prometteuses.
Les diverses expériences aux grands instruments suggèrent que l’occupation d’hydrogène n’est pas limitée aux sites habituellement occupés dans les alliages conventionnels. Une possible explication est apportée par l’importante distorsion du réseau dans ces alliages qui implique des volumes interstitiels différents en fonction de l’environnement local. En perspective, des nouvelles recherches seront indispensables afin de comprendre l’effet de la variation de l’environnement local à l’échelle atomique et son implication sur les propriétés macroscopiques. Afin d’éclaircir les structures à courte et longue distance et leur changement sous l’effet de l’absorption/désorption d’hydrogène, une possibilité sera d’appliquer la technique de spectroscopie d’absorption X au synchrotron connue, pour apporter des informations de façon sélective sur l’ordre local autour d’un atome absorbeur. Cela ouvre la voie à des études fines de l’environnement local et donne accès à plusieurs paramètres structuraux locaux : nombre de coordination, distances avec les atomes voisins et estimation du désordre local tant dynamique (vibrations thermiques des atomes autour d’une position moyenne) que statique (distribution statistique des atomes sur les sites cristallographiques, désordre induit par l’absorption de l‘hydrogène…).
Grâce au vaste champ compositionnel ouvert par la stratégie multi-élémentaire, ces recherches vont se poursuivre et se renforcer dans le futur. Les innombrables possibilités des compositions chimiques dans les diagrammes de phase multidimensionnels font entrevoir des perspectives riches en découvertes, qui permettront d’éclaircir les corrélations entre la chimie, la structure et la thermodynamique et d’augmenter les performances de stockage. Cependant, l’approche expérimentale incrémentale étant limitée, des efforts théoriques de prédiction des meilleures compositions et de rationalisation des tendances observées expérimentalement sont absolument nécessaires. La stratégie de dialogue théorie/expérience sera donc particulièrement pertinente à l’étude de ces alliages et de leur interaction avec l’hydrogène.
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(6) - YEH (J.) et al - Adv. Eng. Mater. - 6 299–303 (2004).
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