Projet ANR-11-JS08-0002 – HyDfect : Clathrates hydrates à défauts de liaison hydrogène pour le stockage d’hydrogène.
Programme : JCJC - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (JCJC SIMI 8)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Arnaud DESMEDT (UNIVERSITE BORDEAUX I)
Partenaires : Institut des Sciences Moléculaires
Montant : 163280.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 36 mois
Résumé : Flexibiliser des cages de « glace » pour mieux stocker l’hydrogène.Les clathrate hydrates sont des « glaces » formés de cages d’eau pouvant encapsuler des molécules telles le méthane ou l’hydrogène. Les propriétés de stockage de ces gaz dans ces « glaces » peuvent être optimisées en contrôlant la «flexibilité« des cages d'eau par l’ajout d’additifs ioniques.
Impact d’additifs ioniques sur les propriétés physico-chimiques de clathrate hydrates.Les grandes quantités d'hydrate d'hydrocarbure, présentes à l'état naturel dans les fonds océaniques et le permafrost, sont probablement à l'origine de multiples applications dans des domaines allant de l'énergie à l'environnement. La nanostructuration particulière des clathrate hydrates est à l'origine de propriétés physico-chimiques uniques pour lesquelles les interactions entre la cage d’eau et la molécule encapsulée jouent un rôle déterminant. Ces interactions sont perturbées par l’ajout d’additifs ioniques et peu d'études fondamentales sont consacrées à l'impact de ces additifs. Le projet HyDfect s'inscrit dans cette perspective. De nouveaux clathrate hydrates incluant ces additifs ioniques de manière contrôlée sont conçus à des fins technologiques récemment mises en évidence: le stockage d'hydrogène.
Une méthode combinant théorie et expériencePour atteindre les objectifs du projet HyDfect, les études menées vont du microscopique (analyse des mécanismes d’insertion de molécules de gaz dans les cages d’eau en combinant des approches expérimentales et des modélisations numériques) au macroscopique (cinétique de formation, capacité de stockage d’hydrogène). Ces travaux de recherche fondamentale s’appuient sur l’utilisation de techniques disponibles au sein des laboratoires (spectromètre, diffractomètre, etc…) et également au sein des très grandes infrastructures de recherche nationales et européennes (supercalculateurs, source neutron). Afin de mener à bien l’approche expérimentale, un montage sous pression et température contrôlées a été développé, ainsi qu’une cellule optique original pour le suivi in-situ par microspectrométrie de l’impact des additifs ioniques sur l’insertion de l’hydrogène dans les clathrate hydrates.
Résumé de la soumission : Les clathrates hydrates sont des matériaux cristallins nanoporeux constitués d'un réseau de molécules d'eau en liaison hydrogène formant des cages hôtes pouvant encapsuler des molécules invitées (généralement hydrophobes). Les grandes quantités d'hydrate d'hydrocarbure, présentes à l'état naturel dans les fonds océaniques et le permafrost, sont probablement à l'origine de multiples applications dans des domaines allant de l'énergie à l'environnement. D'un point de vue fondamental, leur nanostructuration particulière est à l'origine de propriétés spécifiques (e.g la conductivité thermique  "vitreuse" de ces matériaux cristallins) pour lesquelles les interactions hôte-invité jouent un rôle déterminant. Des défauts de liaison hydrogène au niveau de la sous-structure aqueuse conduisent à violer la "règle de la glace" (à savoir que chaque molécule d'eau accepte et donne deux liaisons hydrogène). Cependant, peu d'études fondamentales sont consacrées à l'impact de ces défauts sur les propriétés microscopiques et macroscopiques des clathrates hydrates. Le projet HyDfect s'inscrit dans cette perspective. De nouveaux clathrates hydrates incluant des défauts de liaison hydrogène de manière contrôlée seront conçus à des fins technologiques récemment mises en évidence: le stockage d'hydrogène. Les propriétés de stockage (formation et quantité d'hydrogène) seront optimisées en ajustant la concentration en défaut afin de contrôler la "flexibilité" des cages d'eau. Cette problématique fondamentale requiert la compréhension des facteurs régissant  les mécanismes d'insertion de l'hydrogène dans de tels systèmes. Pour atteindre cet objectif, les études menées iront du microscopique (spectroscopie de vibration, analyse structurale et une étude couplant diffusion neutronique et simulations numériques) au macroscopique (cinétique de formation, quantité d'hydrogène stocké).
Résultats : A mi-parcours, le projet HyDfect a permis une meilleure compréhension des mécanismes diffusifs des molécules d’hydrogène dans les clathrate hydrates et de la mobilité des additifs ioniques au sein des cages d’eau. Cette connaissance du paysage énergétique des cages d’eau d’un clathrate hydrate constitue un atout clef pour la réussite du projet : l’impact d’additifs ioniques sur le stockage d’hydrogène ne peut être exploré que sur la base de tels résultats de référence.
Perspectives : Mieux comprendre les mécanismes fondamentaux d’insertion moléculaire dans des matériaux poreux pour mieux maîtriser le stockage de gaz et son transport dans des conditions « douces » de température et de pression.
Publications et brevets : Le projet HyDfect a donné lieu à des publications d’articles scientifiques, dans des revues internationales, axés sur les propriétés physico-chimiques des clathrate hydrates d’intérêt pour le stockage d’hydrogène. Aucune retombée commerciale n’est attendue à ce stade du projet.