Hydrogen Absorption Properties in High Entropy Alloys Containing Refractory Elements
Propriétés d'absorption d'hydrogène dans les alliages à haute entropie contenant des éléments réfractaires
Résumé
Hydrogen as a clean energy carrier has become a viable idea to achieve the decarbonization of the energy sector. As an energy carrier, hydrogen needs to be produced, transported stored, and used in stationary and mobile applications. However, the implementation of a full scale economy base d on hydrogen requires more efforts to overcome the technical issues related to its storage. Among the various types of ways to store hydrogen, the solid state storage in the form of metal hydrides presents a safe and promising solution.
The aim of this project is to investigate a new class of functional materials for solid state hydrogen storage named High entropy alloys (HEAs). The possible combinations in the multidimensional space of HEAs are extremely broad, which makes experimental research difficult to organize . This project proposes a novel strategy of adding 10% of a fifth element M (with M = Mg, Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, and Ta) to the quaternary alloy Ti 0.325 V 0.275 Zr 0.125 Nb 0.275 . An investigation of the effects of the chemical composition on the hydrogen sorption properties will be conducted and a comparison between the novel alloys and the parent material will be drawn. Different methods of synthesis are employed such as arc melting, ball milling, and reac tive ball milling to obtain bcc single phased HEAs. Moreover, correlations are established between empirical parameters such as the atomic size mismatch ( δ) and the valence electron concentration (VEC), and the hydrogen sorption properties i.e., the maximum capacity of hydrogen uptake, the onset temperature of hydrogen release, lattice parameters (for the as cast alloys and their hydrides), and the volume expansion following hydrogenation. Furthermore, an in depth investigation of selected HEAs with the highest capacity of hydrogen absorption will be studied using various characterization techniques regarding the structural transitions upon desorption of hydrogen, hydrogen cycling properties, and the thermodynamics of hydrogenation. The novel proposed methodology allowed to rationalize the effect o f the chemical composition of this series of HEAs on the hydrogen storage performances.
L’hydrogène en tant que vecteur d’énergie est devenu une idée envisageable pour atteindre la décarbonisation du secteur de l'énergie. Cependant, l’hydrogène doit être produit, transporté, stocké afin d’être utilisé dans des applications stationnaires et mobiles. Néanmoins, la mise en oeuvre d'une économie à grande échelle basée sur l'hydrogène nécessite davantage d'efforts pour surmonter les problèmes techniques liés à son stockage. Parmi les différents types de stockage de l'hydrogène, le stockage à l'état solide sous forme d'hydrures métalliques constitue une solution sûre et prometteuse.
Ce mémoire de thèse vise à étudier les propriétés de stockage de l’hydrogène à l’état solide d’une nouvelle classe de matériaux fonctionnels appelée alliages à haute entropie (AHE). Les possibilités de combinaison de ces AHE sont très vastes et par conséquent beaucoup de recherches expérimentales sont indispensables afin d’éclaircir la relation entre la composition chimique de ces matériaux et leurs propriétés de sorption de l’hydrogène. Ce projet propose une nouvelle stratégie qui consiste à étudier l’effet de l’addition de 10% d’un cinquième élément M (avec M = Mg, Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, et Ta) à un alliage quaternaire Ti0.325V0.275Zr0.125Nb0.275. Une étude des effets de la composition chimique sur les propriétés de sorption de l’hydrogène a été réalisé et comparé entre les nouveaux alliages et le matériau quaternaire. Trois méthodes de synthèse différentes ont été utilisées pour la préparation de ces alliages : fusion à l'arc, broyage mécanique sous gaz inerte (Ar) et broyage mécanique sous gaz réactif (H2). De plus, des corrélations ont été établies entre les paramètres empiriques tels que l’écart quadratique moyen des rayons atomiques noté δ et la concentration d’électrons de valence (VEC) avec les propriétés de sorption de l’hydrogène i.e., la capacité maximale d’absorption de l’hydrogène, la température de désorption de l’hydrogène, les paramètres de mailles (alliages et leurs hydrures) et l’expansion volumique après l’hydrogénation. Par ailleurs, une étude approfondie sur les alliages ayant la plus grande capacité d'absorption d'hydrogène a été menée en utilisant diverses techniques de caractérisation pour caractériser les transitions de phases lors de la désorption de l’hydrogène, les propriétés de cyclage de l’hydrogène et les propriétés thermodynamiques d’hydrogénation.
La nouvelle méthodologie proposée a permis de mettre en évidence l'effet de la composition chimique des AHEs sur les performances de stockage de l'hydrogène.
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