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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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Alliages à haute entropie
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1. Contexte
1.1 L’hydrogène comme vecteur énergétique propre
Dans le contexte environnemental et énergétique actuel, il est urgent de poursuivre et d’intensifier la diversification des technologies durables, afin de relever les grands défis énergétiques et climatiques du XXIe siècle, reflétés notamment dans l’Accord de Paris adopté lors de la COP 21 en 2015. Il est incontestable aujourd’hui que nous avons besoin d’un futur système énergétique qui soit durable sous plusieurs aspects : énergétique, politique et environnemental. La durabilité énergétique implique un système basé sur des sources inépuisables, au moins à l’échelle de l’humanité. La durabilité politique signifie une énergie disponible de façon sûre et abordable pour tous, et la soutenabilité environnementale suppose un système énergétique indépendant, non polluant et sans impact significatif sur l’environnement.
Dans ce triptyque, l’hydrogène est considéré actuellement comme une molécule à intérêt énergétique majeur qui n’est pas aujourd’hui exploitée pleinement pour ces raisons, mais utilisée principalement dans les industries pétrolières et chimiques pour sa réactivité chimique. L’hydrogène peut être produit de façon décarboné et ensuite utilisé pour la production d’énergie sur le réseau ou dans les transports. Il est aussi une solution viable pour le stockage de l’énergie, notamment celle produite à partir des sources renouvelables et intermittentes (éolien, solaire). C’est pourquoi l’hydrogène, comme vecteur d’énergie propre, représente un enjeu scientifique, environnemental et économique majeur du XXI e siècle.
L’hydrogène sous la forme de dihydrogène (la molécule H2) est l’élément chimique le plus léger et le plus abondant dans l’univers (~ 75 %). Dans des conditions standard de température et de pression (CSTP), c’est un gaz invisible, inodore et non toxique mais hautement inflammable. Il est rarement présent à l’état pur sur Terre en raison de sa grande réactivité chimique, c’est pourquoi il se trouve principalement dans la composition de l’eau, des hydrocarbures et de nombreuses autres substances.
L’hydrogène n’est pas une source d’énergie...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ZÜTTEL (A.), REMHOF (A.), BORGSCHULTE (A.), FRIEDRICHS (O.) - Philos. Trans. R. Soc. Math. Phys. Eng. Sci. - 368 3329–3342 (2010).
-
(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).
-
(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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