Phases et nouveaux composés à base de magnésium pour le stockage de l'hydrogène, Laves phases and new compounds based on magnesium for hydrogen storage application

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THESE
pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université de Bordeaux et de l’Université POLITECHNIQUE de Bucarest
Spécialité « Chimie du solide »
présentée et soutenue publiquement par
Cristina Iuliana (Petrache) STAN
le 24 octobre 2008
PHASES ET NOUVEAUX COMPOSÉS À BASE DE
MAGNÉSIUM POUR LE STOCKAGE DE
L’HYDROGÈNE
Directeurs de thèse : Ecaterina ANDRONESCU et Jean-Louis BOBET
Jury:
Président: Prof. Dr. Horia IOVU
Coordonateurs scientifiques: Prof. Dr. Ing. Ecaterina ANDRONESCU
Prof. Dr. Jean-Louis BOBET
Examinateur : Dr. Etienne GAUDIN
Rapporteurs/Examinateurs : Dr. Daniela PREDOI
Dr. Anghel IONCEA
Bucure tiRRemerciements
Ce travail a été effectué dans le cadre d’une bourse en co-tutelle, financée par l’Agence
Universitaire de la Francophonie, entre l’Université de Bordeaux (Institut de Chimie de la Matière
Condensée de Bordeaux) et l’Université « Politehnica » Bucarest.
Je tiens tout d’abord à remercier profondément Monsieur Jean Louis Bobet et Madame
Ecaterina Andronescu, mes deux directeurs de thèse qui ont accepté de diriger cette étude et qui
m’ont fait profiter de leurs expériences et de leurs conseils tout au long de ce travail. Qu’ils trouvent
ici toute l’expression de ma gratitude pour leur écoute respective, tant scientifique qu’humaine.
Je remercie également Monsieur Claude Delmas, directeur de l’ICMCB, pour avoir eu
l’amabilité de m’accueillir dans son laboratoire.
Je tiens à adresser mes remerciements à Monsieur Etienne Gaudin, Monsieur Anghel Ioncea
et Monsieur Horia Iovu qui m’ont fait l’honneur d’accepter de participer à ce jury de thèse.
Je remercie particulièrement Madame Daniela Predoi pour son chaleureux soutien et pour
l’amabilité d’avoir accepté être une des rapporteurs de ce mémoire et de participer à ce jury de thèse.
Je tiens à remercier tous les membres du laboratoire Bordelais qui m’ont aidé et soutenu tout
au long de ce travail par leurs conseils, leur amitié et leur bonne humeur. Grâce à leurs compétences
et leur sympathie, les périodes passés dans ce laboratoire ont été pour moi une expérience réellement
enrichissante et agréable. Parmi eux, je voudrais citer ici : Joel Villot, Eric Lebraud, Michel Lahaye.
Je voudrais saluer : Jean Gabriel, Hamdi, Glenn, Sophie, Samuel, Abdellah, Khiem, et tous les
thésards et stagiaires (en particulier Adelaïde) pour leur aide et les bons moments passés ensemble.
J’ai tout particulièrement apprécié sincèrement l’amitié et le soutien à la fois du point de vue
personnel et aussi scientifique de Sonia Gomez à qui j’exprime toute ma reconnaissance.
Je remercie également tous mes collègues du Laboratoire de Chimie- Physique « I. G.
Murgulescu » - Bucarest pour leur soutien et leur sympathie.
Enfin, je remercie particulièrement toutes les personnes qui me sont chères : mon mari, mes
parents, ma sœur, mon frère et tous mes amis. Ils m’ont soutenue, parfois même de loin, et ils
m’ont encouragée pour arriver à ce stade ultime de mes études universitaires.
2Sommaire :
1. Aspect particulier de la problématique énergétique
1. Introduction …………………………………………………………………..……….8
1.1 L’effet de serre et pollution ……………………………………………………..……...8
1.2 L’hydrogène ……………………………………………………………………………19
1.2.1 Propriétés générales ………………………………………………………………19
1.2.2 Production d’hydrogène ………………………………………………...…………21
1.2.3 Transport de l’hydrogène ………………………………………………….………24
1.2.4 Stockage de l’hydrogène ………………………………………………...………..25
1.2.5 Utilisation ……………………………………………………………………………32
2. Les hydrures métalliques et les phases de Laves
2.1 Réaction d’un métal avec l’hydrogène ……………………………………………...37
2.2 Diagrammes pression – composition – température ……………………………...40
2.3 Localisation de l’hydrogène dans la phase hydrure ………………………………44
2.4 Les principales familles de composés intermétalliques ………………………… 46
2.4.1. Les composés de type AB ………………………………………………..………46 5
2.4.2. Les composés de type AB ……………………………………………..………….48
2.4.3. Les composés de type AB ……………………………………….………………48 2
2.4.4. Autres types de composés ………………………………………………………..54
Référence …………………………………………………………………………………..56
4”
”
3. Propriétés structurales et d’hydruration des composés YNi Al Mg (0 x 4-x x
1,5) ………………………………………………………………………………..…………59
3.1 Introduction …………………………………………………………………………….61
3.2 Détails expérimentaux ………………………………………………………………..62
3.3 Résultats et discussions …………………………………………..…………………63.
3.3.1 Analyses chimiques et cristallographiques ………………………………………63
3.3.2 Propriétés d’absorption d’hydrogène ……………………………………………..68
3.3.3 Conclusions ………………………………………………………………………….77
Référence …………………………………………………………………………………..78
4. Diffraction des rayons X in situ sous pression d’hydrogène du composé
YNi Al Mg …………………………………………………………………………..…..82 3,5 0,5
4.1 Introduction ……………………………………………………………………….……84
4.2 Détails expérimentaux ………………………………………………………………..85
4.3 Résultats et discussions ……………………………………………………….….….86
4.4 Conclusions ……………………………………………………………….….………..96
Références ………………………………………………………………………………….97
5. Composés TR NiMg (TR = Y, Pr-Nd, Sm, Gd-Tm, Lu) à base de magnésium et 4
de terre rare – Synthèse, structure et comportement lors de l’hydruration
……………………………………………………………………………………………....100
5.1 Introduction ……………………………………………………………………...……102
5.2 Expérimental …………………………………………………………………….……102
5.2.1 Synthèses ………………………………………………………………………..…102
55.2.2 Caractérisation structurale ………………………………………………………..103
5.2.3 Microscopie électronique de balayage ………………………………….………105
5.2.4 Réactions d’hydruration ………………………………………………….………..105
5.3 Résultats et discussions ………………………………………………………….…105
5.3.1 Synthèses …………………………………………………………………..………105
5.3.2 L’affinement de la structure ……………………………………………………….107
5.3.3 Description de la structure du cristal …………………………………………….109
5.3.4 Propriétés d’hydruration …………………………………………………………..113
5.3.5 Les propriétés magnétiques ……………………………………………….…….116
5.4 Conclusions ………………………………………………………………………….119
Références ……………………………………………………………………………….120
6. Propriétés structurales du matériau Gd Ni Mg ………………………….123 13 9,5 77,5
6.1 Elaboration ……………………………………………………………………….….124
6.2 Caractérisation ………………………………………………………………………124.
6.3 Conclusions …………………………………………………………………………..129
Références ………………………………………………………………….…………….130
7. Conclusions générales ………………………………………………….………….132
Annexe 1. Méthodes expérimentales …………………………………………………..135
Références ………………………………………………………………………………..147
Annexe 2. Travail complémentaire sur les alliages de la famille 141 ……………...148.
Références ………………………………………………………………………………..155
6Chapitre I :
Aspect particulier de la problématique énergétique
71. Introduction
1.1 L’effet de serre et pollution
L’effet de serre est un phénomène naturel qui permet le réchauffement de
l’atmosphère et de la surface d’une planète exposée aux rayons solaires. Il est dû
aux gaz à effet de serre contenus dans l’atmosphère, à savoir principalement la
vapeur d’eau (les nuages), le dioxyde de carbone, le méthane et le protoxyde
d’azote.
Même si l’effet de serre a une mauvaise réputation dans les médias et donc
pour le grand public depuis une dizaine d’années, il est important de noter que c’est
ce phénomène qui rend la terre habitable avec des températures modérées. L’effet
de serre, principalement dû à la vapeur d’eau (0,3% en volume, mais qui est
responsable de 55% de l’effet de serre) et aux nuages (27% de l’effet de serre) porte
o
la température moyenne à la surface de la terre de -18 C (ce qu’elle serait en son
o
absence) a +15 C.
La Terre reçoit de l’énergie du rayonnement solaire et elle renvoie à son tour,
un rayonnement infrarouge dans l’espace, dont une partie est absorbée par
l’atmosphère, puis réémise partiellement vers le sol. Si elle ne réémettait pas cette
énergie dans l’espace, elle deviendrait de plus en plus chaude.
Le Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) a
publié plusieurs rapports sur l’évolution climatique en montrant une multitude
d’indices témoignant du r