Study of new types of magnesium rich-compounds for reversible hydrogen storage - Effect of transition elements addition

Etude de nouvelles formes de matériaux basés sur le magnésium pour le stockage réversible de grandes quantités d'hydrogène - Effet d'addition d'éléments de transition

Grégory Girard (1)

1 NEEL - MRS - Matériaux, Rayonnements, Structure

The aim of this thesis was the principles of activation of MgH2 based materials for fast and reversible hydrogen storage. The relatively high temperature of reaction of hydrogen with magnesium is said a brake for a systematic application in terms of hydrogen storage. Here, new alloys of Ca-Mg-Ni formula allowing working close to room temperature were characterised. Although weaker storage capacity was realised, it overpasses that of the reference LaNi5. If hydrogen sorption kinetics are commonly improved when exhibiting a fine microstructure up to nanometric crystallites, here an original work was devoted to the use of extrusion ECAP process. Activation of extruded Mg-based alloys was achieved successfully. Ball-milling of MgH2 powders with small amount of selected 3-d transition metals leads to marked improvements of the hydrogen absorption/desorption kinetics of nanostructured powders. The diffusion mechanism involving the fine interfaces created in PLD deposits allows understanding the so-called catalytic process in a multilayer. Finally, the study of new alloys as synthesized under high-temperature and high-pressure was undertaken to understand the activation at atomic scale but in ternary metastable hydrides.

L'objectif de cette thèse est l'étude de nouvelles formes d'activation de matériaux à base de MgH2 en vue du stockage réversible de grandes quantités d'hydrogène. La température assez élevée de la réaction du magnésium à l'hydrogène est considérée être un frein à de nombreuses applications. Ici, de nouveaux alliages de formule Ca-Mg-Ni ont été élaborés pour permettre de travailler à des températures plus basses. Cependant leur capacité de stockage reste plus faible quoique déjà meilleure que la référence LaNi5. Sachant que la cinétique d'hydruration est favorisée dans des matériaux présentant une microstructuration très fine voir une taille de grains nanométrique, un travail pionnier a été réalisé en utilisant le procédé d'extrusion ECAP, en référence au procédé standard par "ball milling". L'hydruration des matériaux extrudés a ensuite été mise en œuvre de façon convaincante. Si le broyage de MgH2 avec additifs de type métaux de transition conduit à des cinétiques de sorption rapides avec la création de cristallites nanostructurés, la réduction de la taille des interfaces avec les particules d'additif a été simulée à partir de couches nanométriques déposées par DLP afin de tenter de mieux comprendre le phénomène d'activation rentrant en jeu lors de l'hydruration du magnésium. Enfin, l'étude d'hydrures ternaires métastables élaborés à hautes températures et sous hautes pressions a été effectuée afin d'analyser l'activation du magnésium atomiquement "dopé" de façon structurale.

Mots clés: hydrogen storage; Equal Channel Angular Pressing; thin layer deposits; high-temperature and high-pressure synthesis

Mots clés: stockage de l'hydrogène; MgH2; ECAP; texture; interfaces nanométriques; élaboration à haute température et haute pression

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]; Physique [physics]; Analyse de données, Statistiques et Probabilités [physics.data-an]; Matière Condensée [cond-mat]

Grégory Girard. Etude de nouvelles formes de matériaux basés sur le magnésium pour le stockage réversible de grandes quantités d'hydrogène - Effet d'addition d'éléments de transition. Mécanique [physics.med-ph]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00445767⟩