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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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Caractérisations physicochimiques
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3. Méthodes d’élaboration
Les méthodes de synthèse de nouveaux alliages multi-élémentaires ou à haute entropie doivent favoriser la formation d’une solution solide aléatoire sans la présence d’autres phases telles que des composés intermétalliques stables. Il s’agit d’une tâche d’élaboration difficile, car la formation et la stabilité de ces alliages avec une structure cristalline et une composition chimique contrôlées font encore l’objet de débats . Les mêmes techniques d’élaboration des alliages conventionnels peuvent être utilisées : la fusion à haute température et les procédés mécaniques basés sur des réactions solide-solide. Une brève description de ces techniques est proposée par la suite.
3.1 Préparation métallurgique par fusion
Les différentes méthodes de fusion à haute température, soit par arc électrique soit par induction électromagnétique à haute fréquence, sont les plus communément utilisées et les mieux adaptées et maîtrisées pour préparer des alliages métalliques. L’étape principale est la fusion des métaux à des températures suffisamment élevées pour assurer le passage des éléments à l’état liquide suivi de leur solidification dans un creuset froid. A l’échelle du laboratoire, la fusion par arc électrique sous atmosphère inerte est généralement préférée surtout pour les alliages contentant des éléments réfractaires car des températures plus hautes peuvent être atteintes comparées à l’induction électromagnétique à haute fréquence.
La fusion à arc électrique utilise une décharge électrique pour faire fondre les éléments et créer l’alliage final. Un instrument typique de fusion à...
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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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