Projet ANR-12-JS09-0011 – MARIA'S STORY : Nouveaux alliages intermétalliques riches en magnésium pour le stockage de H2
Programme : JCJC - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédes et Energie (JCJC SIMI 9) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Madame laetitia LAVERSENNE (Institut Néel)
Partenaires : Institut Neel
Montant : 213200.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Le projet MARIA’S STORY s’inscrit dans la recherche de matériaux à forte capacité en hydrogène pour satisfaire aux besoins futurs d’une énergie propre, abondante et facile à maîtriser. Il vise le développement de nouveaux alliages riches en magnésium (car c’est un élément léger, abondant et non toxique) ayant des capacités massiques en hydrogène de l’ordre de 5% et des conditions d’opération à des températures inférieures à 200°C et sous des pressions inférieures à 10 bars.
Bien que le magnésium (Mg) soit immiscible avec la plupart des métaux de transition (M), il a été démontré récemment que les composés du type Mg7MH16 (avec M= Ti, V, Nb, Ta, Zr et Hf) pouvaient être synthétisés sous conditions extrêmes (hautes pressions: 6-8 GPa ; hautes températures : 600°C). Outre leur teneur en hydrogène élevée (6,8 % mass pour Mg7TiH16), l’intérêt majeur de ces composés réside dans leur température de déshydruration relativement basse (entre 150°C et 250°C contre 320°C pour MgH2).
Ces nouveaux composés sont particulièrement intéressants car leur structure peut être décrite comme une surstructure du polymorphe haute pression cubique à face centrée (cfc) de l’hydrure de magnésium, polymorphe qui n’est pas stable dans les conditions normales de température et pression. Ainsi la présence du métal de transition est responsable de la stabilisation de la structure cfc dans des conditions ambiantes. La diminution de la température de déshydruration des composés Mg7MH16 par rapport à celle de MgH2 (déstabilisation thermique de l’hydrure), est, quant à elle, attribuée à des déformations structurales induites par des forces de liaison différentes Mg-H et M-H. L’inconvénient principal des matériaux Mg7MH16 est qu’ils sont métastables: si l’hydrure ternaire Mg7MH16 existe, sa déshydruration conduit à une démixtion et le matériau n’est pas réversible. En fait, c’est la présence de l’hydrogène qui est responsable de la cohésion de la structure des hydrures ternaires. Une réversibilité partielle a été démontrée par substitution partielle du magnésium par un élément métallique, formant ainsi des hydrures quaternaires Mg7-yM’yMH16.
Nous proposons d’étudier ces composés sous la forme de couches minces synthétisées par co-pulvérisation assistée par plasma, une méthode d’élaboration originale  qui permet l'obtention de phases métastables. Plus précisément, nous nous intéresserons à la stabilisation de ces composés afin d’exploiter leur réversibilité. Pour cela, nous étudierons des hydrures quaternaires Mg7-yM’yMH16 obtenus par substitution par un ou deux éléments sur les sites Mg et/ou M. Notre choix se porte sur les métaux de transition tels que Al et Zn, car ils sont susceptibles de former des alliages avec chacun des éléments considérés.
MARIA’S STORY est un projet de recherche fondamentale. Il est centré sur la définition de la composition d’un hydrure quaternaire aux propriétés de stockage H2 optimales, et comporte trois volets interdépendants : 1) la modélisation par calculs ab-initio, 2) l’élaboration des couches minces, et 3) la caractérisation des matériaux en vue de leur optimisation.
Le volet modélisation visera à acquérir une meilleure compréhension de la nature des liaisons responsables de la cohésion de la structure Mg7-yM’yMH16 et permettra de prédire la stabilité du réseau métallique. Les résultats de simulation permettront d’établir des conditions de synthèse et seront utiles pour valider les résultats expérimentaux.
Le volet élaboration reposera sur la mise en œuvre de la technique non conventionnelle de dépôt par co-pulvérisation assistée par plasma. Outre sa grande flexibilité, la technologie plasma offre l’avantage d’une production industrialisable.
Le volet caractérisation sera axé sur la détermination de la composition et de l’arrangement structural des phases synthétisées. Les performances des matériaux vis-à-vis du stockage de H2 seront étudiées à travers les réactions d’hydruration-déshydruration qui pourront être suivies in situ.