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4 - CARACTÉRISATIONS PHYSICOCHIMIQUES

5 - CARACTÉRISATIONS DES PROPRIÉTÉS D’ABSORPTION D’HYDROGÈNE

  • 5.1 - Capacité de stockage
  • 5.2 - Propriétés thermodynamiques
  • 5.3 - Propriétés cinétiques
  • 5.4 - Stabilité en cyclage

6 - REVUE SUR LES ALLIAGES À HAUTE ENTROPIE

7 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

8 - NOTATION

Article de référence | Réf : IN403 v1

Caractérisations physicochimiques
Nouveaux matériaux pour le stockage de l’hydrogène - Alliages métalliques multi-élémentaires hydrurables

Auteur(s) : Claudia Zlotea

Date de publication : 10 mai 2022

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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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ABSTRACT

New materials for hydrogen storage - Multi-principal alloys forming hydrides

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.

Points clés

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)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in403

CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :

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4. Caractérisations physicochimiques

Une fois les alliages à haute entropie préparés, plusieurs propriétés physicochimiques sont recherchées : la structure cristalline, la microstructure et l’homogénéité chimique.

4.1 Analyse structurale

La technique la plus utilisée pour la caractérisation structurale des matériaux cristallins au laboratoire est la diffraction des rayons X (DRX). Elle permet de reconnaître la présence des différentes phases au sein du matériau, la plupart du temps polycristallins, et de résoudre la structure cristalline, c’est-à-dire l’arrangement périodique des atomes dans un cristal. Sans rentrer dans les détails de cette technique déjà amplement décrite dans de nombreux ouvrages [P 1 080] , les interférences constructives entre le faisceau des rayons X incident et diffracté sur un matériau cristallin suivent la loi de Bragg :

( 4 )

avec :

d
 : 
distance entre deux plans cristallographiques,
θ
 : 
angle d’incidence,
n
 : 
ordre de diffraction (un nombre entier),
λ
 : 
longueur d’onde des rayons X.

En utilisant les diffractomètres de laboratoire, l’intensité du faisceau diffracté est mesurée en fonction de l’angle 2θ....

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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).

  • (3) - ZÜTTEL (A.) -   Naturwissenschaften  -  91 157–172 (2004).

  • (4) - KLEBANOFF (L.) ed -   Hydrogen Storage Technology Materials and Applications,  -  CRC Press (2016).

  • (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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