Nouveaux intermétalliques ternaires à base de magnésium pour le stockage de l’hydrogène, New ternary intermetallics, based magnesium, for hydrogen storage

Jean-Gabriel Roquefere

Description

Sous la direction de Jean-Louis Bobet
Thèse soutenue le 06 mai 2009: Bordeaux 1
L’utilisation des combustibles fossiles (énergies non renouvelables) est responsable de l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Parmi les solutions de remplacement envisagées, l’hydrogène apparaît comme le vecteur énergétique le plus séduisant. Son stockage dans des intermétalliques permet d’obtenir des capacités massiques et volumiques (e.g. 140 g/L) supérieures à celles obtenues en voie liquide ou sous pression (respectivement 71 et 40 g/L). Nous avons élaboré des composés à base de Mg et de terres rares (e.g. Y, Ce et Gd) dérivant des phases de Laves cubiques AB2. Leurs propriétés physico-chimiques ont été étudiées (hydruration, électrochimie, magnétisme, …). Les conditions de sorption (P et T) se sont révélées particulièrement favorables (i.e. absorption à température ambiante et pression atmosphérique). Par ailleurs, afin d’améliorer la cinétique de sorption du magnésium métallique, les composés précédemment élaborés ont été utilisés comme catalyseurs. Ainsi, GdMgNi4 a été co-broyé avec du magnésium et les vitesses d’absorption et de désorption du composite sont supérieures à celles obtenues pour les composites Mg+Ni ou Mg+V qui sont des références. Une approche théorique (DFT) a permis de modéliser la structure électronique des composés ternaires (i.e. TRMgNi4) et ainsi de prédire ou de confirmer les résultats expérimentaux. Enfin nous avons étudié de nouveaux intermétalliques riches en terre rare (TR4MgNi) dont les capacités d’absorption en hydrogène sont élevées (2H/M).
-Intermétalliques
-Magnésium
-Stockage de l'hydrogène
-Dft
The use of fossil fuels (non-renewable energy) is responsible for increasing the concentration of greenhouse gases in the atmosphere. Among the considered alternatives, hydrogen is seen as the most attractive energy vector. The storage in intermetallics makes it possible to obtain mass and volume capacities (e.g. 140 g/L) higher than those obtained by liquid form or under pressure (respectively 71 and 40 g/L). We have synthesised Mg and Rare Earth based compounds (RE = Y, Ce and Gd), derived from the cubic Laves phases AB2. Their physical and chemical properties have been studied (hydrogenation, electrochemistry, magnetism, ...). The conditions of sorption (P and T) are particularly favorable (i.e. absorption at room temperature and atmospheric pressure). Besides, to improve the sorption kinetics of metallic magnesium, the compounds developed previously were used as catalysts. Thus, GdMgNi4 was milled with magnesium and the speeds of absorption and desorption of the mixture are found higher than those obtained for the composites Mg+Ni or Mg+V, which are reference systems. A theoretical approach (DFT) was used to model the electronic structure of the ternary compounds (i.e. REMgNi4) and thus to predict or confirm the experimental results. Finally we have studied new intermetallics rich in rare earth (RE4MgNi) whose hydrogen absorption capacities are high (2H/M).
-Intermetallics
-Magnesium
-Hydrogen storage
-Dft
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13792/document

Sujets

• Magnésium
• Stockage d'hydrogène
• Théorie de la fonctionnelle de la densité

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 82
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 20 Mo

Extrait

N° d’ordre : 3792

THESE
présentée à

L’UNIVERSITE BORDEAUX 1

Ecole Doctorale des Sciences Chimiques

Par Jean-Gabriel ROQUEFERE
Maître ès Chimie du solide

Pour obtenir le grade de
DOCTEUR

Spécialité : Physico-Chimie de la Matière Condensée


Nouveaux intermétalliques ternaires à base de
magnésium pour le stockage de l’hydrogène


Thèse dirigée par Jean-Louis BOBET, professeur
Soutenue le 6 mai 2009


Après avis de :

Mme. Valérie PAUL-BONCOUR, Chargée de Recherche, ICMPE Rapporteur
M. Klaus YVON, Professeur, Université de Genève Rapporteur

Devant la commission d’examen formée de :

M. Claude DELMAS, Directeur de recherche, ICMCB Président
Mme. Valérie PAUL-BONCOUR, Chargée de Recherche, ICMPE Rapporteur
M. Klaus YVON, Professeur, Université de Genève Rapporteur
M. Salvatore MIRAGLIA, Chargé de Recherche, Institut Louis Néel Examinateur
M. Samir F. MATAR, Directeur de recherche, ICMCB Examinateur
M. Bernard CHEVALIER, Directeur de recherche, ICMCB Examinateur invité
M. Jean-Louis BOBET, Professeur, Université Bordeaux 1 Directeur de thèse



~ 2009 ~


















































































































































































En hommage à mon père
Jean-Loup ROQUEFERE
(1955-1995)











































































« Oui, mes amis, dit Cyrus Smith, je crois que l'eau sera
un jour employée comme combustible, que l'hydrogène et
l'oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou
simultanément, fourniront une source de chaleur et de
lumière inépuisables... »

Jules Verne, « L'île mystérieuse », 1874



































« Cette planète est notre berceau mais nous
l'avons saccagée. Nous ne pourrons plus jamais
la soigner ni la retrouver comme avant… »

Bernard Werber, « Le papillon des étoiles », 2007





















































RESUME


L’utilisation des combustibles fossiles (énergies non renouvelables) est responsable de
l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Parmi les
solutions de remplacement envisagées, l’hydrogène apparaît comme le vecteur énergétique le
plus séduisant. Son stockage dans des intermétalliques permet d’obtenir des capacités
massiques et volumiques (e.g. 140 g/L) supérieures à celles obtenues en voie liquide ou sous
pression (respectivement 71 et 40 g/L). Nous avons élaboré des composés à base de Mg et de
terres rares (e.g. Y, Ce et Gd) dérivant des phases de Laves cubiques AB . Leurs propriétés 2
physico-chimiques ont été étudiées (hydruration, électrochimie, magnétisme, …). Les
conditions de sorption (P et T) se sont révélées particulièrement favorables (i.e. absorption à
température ambiante et pression atmosphérique). Par ailleurs, afin d’améliorer la cinétique de
sorption du magnésium métallique, les composés précédemment élaborés ont été utilisés
comme catalyseurs. Ainsi, GdMgNi a été co-broyé avec du magnésium et les vitesses 4
d’absorption et de désorption du composite sont supérieures à celles obtenues pour les
composites Mg+Ni ou Mg+V qui sont des références. Une approche théorique (DFT) a permis
de modéliser la structure électronique des composés ternaires (i.e. TRMgNi ) et ainsi de prédire 4
ou de confirmer les résultats expérimentaux.

Mots clés : Intermétalliques, Magnésium, Stockage de l’hydrogène, DFT





ABSTRACT


The use of fossil fuels (non-renewable energy) is responsible for increasing the
concentration of greenhouse gases in the atmosphere. Among the considered alternatives,
hydrogen is seen as the most attractive energy vector. The storage in intermetallics makes it
possible to obtain mass and volume capacities (e.g. 140 g/L) higher than those obtained by
liquid form or under pressure (respectively 71 and 40 g/L). We have synthesised Mg and Rare
Earth based compounds (RE = Y, Ce and Gd), derived from the cubic Laves phases AB . Their 2
physical and chemical properties have been studied (hydrogenation, electrochemistry,
magnetism, ...). The conditions of sorption (P and T) are particularly favorable (i.e. absorption
at room temperature and atmospheric pressure). Besides, to improve the sorption kinetics of
metallic magnesium, the compounds developed previously were used as catalysts. Thus,
GdMgNi was milled with magnesium and the speeds of absorption and desorption of the 4
mixture are found higher than those obtained for the composites Mg+Ni or Mg+V, which are
reference systems. A theoretical approach (DFT) was used to model the electronic structure of
the ternary compounds (i.e. REMgNi ) and thus to predict or confirm the experimental results. 4

Keywords: Intermetallics, Magnesium, Hydrogen storage, DFT