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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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Revue sur les alliages à haute entropie
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5. Caractérisations des propriétés d’absorption d’hydrogène
Les propriétés recherchées pour des applications de stockage d’hydrogène sont : les capacités de stockage, les propriétés thermodynamiques et cinétiques, ainsi que la tenue en cyclage absorption/désorption .
Les conditions d’équilibre thermodynamique entre un métal/alliage et son hydrure dépendent de la température, de la pression en hydrogène et de la composition en hydrogène dans le matériau, et sont représentées par un diagramme Pression-Composition-Isothermes (PCI) sur la figure 4.
Les premières étapes lors de l’interaction métal/alliage – hydrogène sont la physisorption suivie de la chimisorption dissociative des molécules H2 à la surface, et ensuite la pénétration des atomes d’hydrogène et leur diffusion dans le volume des métaux/alliages. Ultérieurement, des transformation de phases peuvent avoir lieu, comme expliqué par la suite. À une température donnée, le métal/alliage réagit avec l’hydrogène pour former à faible pression d’H2 une solution solide, la phase α, dont la pression d’équilibre augmente avec la concentration en hydrogène (la branche montante à basse pression en figure 4). À la saturation maximale de la phase α, une transition de phase a lieu à pression constante pour former l’hydrure avec une composition définie, la phase β. Lors de la transition de phase
, les deux phases coexistent sur le plateau d’équilibre (le plateau en figure 4). La phase α disparaît progressivement aux dépens de la phase β avec l’augmentation de la concentration hydrogène/métal (H/M) dans le matériau. A la fin du plateau, la formation de la phase hydrure β est complète. Au-delà, l’augmentation de la pression de gaz H2 induit uniquement une saturation en hydrogène...
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Caractérisations des propriétés d’absorption d’hydrogène
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).
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(6) - YEH (J.) et al - Adv. Eng. Mater. - 6 299–303 (2004).
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