MAgnesium RIch Alloys for Solid STORage of hYdrogen – MARIA'S STORY
MARIA'S STORY
MAgnesium RIch Alloys for Solid STORage of hYdrogen
Enjeux et objectif
Le projet MARIA’S STORY s’inscrit dans la recherche de matériaux à forte capacité en hydrogène et vise le développement de nouveaux alliages riches en magnésium sous la forme de couche mince. Un intérêt particulier est porté aux composés du type Mg7MH16 (avec M= Ti, V, Nb, Ta, Zr et Hf) qui n’ont été élaborés que 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).<br />A travers l’élaboration de ces composés par le procédé original de co-pulvérisation assistée par plasma (PAPVD), nous visons surtout la compréhension de l’origine de la métastabilité de ces phases. Notre objectif est de les stabiliser, une piste serait de produire des hydrures quaternaires Mg7-y(M1-xM’x)1+yH16 afin d’exploiter leur réversibilité. Les principaux moyens de caractérisation utilisés à cette fin sont la diffraction de RX (structure cristalline), le MEB (microstructure), les mesures volumétriques permettant de déterminer le taux d’hydruration.<br />
Le projet MARIA’S STORY s’inscrit dans la recherche de matériaux à forte capacité en hydrogène et vise le développement de nouveaux alliages riches en magnésium sous la forme de couche mince. Un intérêt particulier est porté aux composés du type Mg7MH16 (avec M= Ti, V, Nb, Ta, Zr et Hf) qui n’ont été élaborés que 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).
A travers l’élaboration de ces composés par le procédé original de co-pulvérisation assistée par plasma (PAPVD), nous visons surtout la compréhension de l’origine de la métastabilité de ces phases. Notre objectif est de les stabiliser, une piste serait de produire des hydrures quaternaires Mg7-y(M1-xM’x)1+yH16 afin d’exploiter leur réversibilité. Les principaux moyens de caractérisation utilisés à cette fin sont la diffraction de RX (structure cristalline), le MEB (microstructure), les mesures volumétriques permettant de déterminer le taux d’hydruration.
Le projet MARIA’S STORY s’inscrit dans la recherche de matériaux à forte capacité en hydrogène et vise le développement de nouveaux alliages riches en magnésium sous la forme de couche mince. Un intérêt particulier est porté aux composés du type Mg7MH16 (avec M= Ti, V, Nb, Ta, Zr et Hf) qui n’ont été élaborés que 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).
A travers l’élaboration de ces composés par le procédé original de co-pulvérisation assistée par plasma (PAPVD), nous visons surtout la compréhension de l’origine de la métastabilité de ces phases. Notre objectif est de les stabiliser, une piste serait de produire des hydrures quaternaires Mg7-y(M1-xM’x)1+yH16 afin d’exploiter leur réversibilité. Les principaux moyens de caractérisation utilisés à cette fin sont la diffraction de RX (structure cristalline), le MEB (microstructure), les mesures volumétriques permettant de déterminer le taux d’hydruration.
Le projet MARIA’S STORY s’inscrit dans la recherche de matériaux à forte capacité en hydrogène et vise le développement de nouveaux alliages riches en magnésium sous la forme de couche mince. Un intérêt particulier est porté aux composés du type Mg7MH16 (avec M= Ti, V, Nb, Ta, Zr et Hf) qui n’ont été élaborés que 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).
A travers l’élaboration de ces composés par le procédé original de co-pulvérisation assistée par plasma (PAPVD), nous visons surtout la compréhension de l’origine de la métastabilité de ces phases. Notre objectif est de les stabiliser, une piste serait de produire des hydrures quaternaires Mg7-y(M1-xM’x)1+yH16 afin d’exploiter leur réversibilité. Les principaux moyens de caractérisation utilisés à cette fin sont la diffraction de RX (structure cristalline), le MEB (microstructure), les mesures volumétriques permettant de déterminer le taux d’hydruration.
Le projet MARIA’S STORY s’inscrit dans la recherche de matériaux à forte capacité en hydrogène et vise le développement de nouveaux alliages riches en magnésium sous la forme de couche mince. Un intérêt particulier est porté aux composés du type Mg7MH16 (avec M= Ti, V, Nb, Ta, Zr et Hf) qui n’ont été élaborés que 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).
A travers l’élaboration de ces composés par le procédé original de co-pulvérisation assistée par plasma (PAPVD), nous visons surtout la compréhension de l’origine de la métastabilité de ces phases. Notre objectif est de les stabiliser, une piste serait de produire des hydrures quaternaires Mg7-y(M1-xM’x)1+yH16 afin d’exploiter leur réversibilité. Les principaux moyens de caractérisation utilisés à cette fin sont la diffraction de RX (structure cristalline), le MEB (microstructure), les mesures volumétriques permettant de déterminer le taux d’hydruration.
MARIA’S STORY project deals with the search for high H2 storage capacity materials in order to satisfy future needs in terms of clean, abundant and easy to use energy. New magnesium rich alloys with hydrogen gravimetric capacities of about 5wt% operating under mild conditions (deshydrogenation temperature < 200°C and pressure < 10 bars) will be developed.
Magnesium is considered as a key constituent for hydrogen storage material due to its low mass, high abundance, non-toxicity and high H2 storage capacity under the form of magnesium hydride MgH2. It is well known that magnesium is not miscible with transition metal elements (M) and consequently no compound exists in the binary diagrams Mg-M. Nevertheless, the synthesis of Mg7MH16 type alloys (with M= Ti, V, Nb, Ta, Zr and Hf) has been recently reported using high pressure (6-8 GPa) and high temperature (~600°C) techniques. These compounds appear of particular interest for hydrogen storage not only due to their high gravimetric H2 content (6.8 wt% in the case of Mg7TiH16), but also due to their relatively low deshydrogenation temperature (150- 250°C). From a structural point of view, these hydrides are of particular interest since the metallic lattice adopts a face centered cubic (fcc) structure. The Mg7MH16 structure can be described as a supercell of the fcc high pressure MgH2 polymorph which is not stable under ambient pressure and temperature. Thus, the transition metal is responsible for the stabilization of the fcc lattice under ambient pressure. Concerning the decrease of the dehydration temperature of Mg7MH16 type compounds compare to MgH2 (which can be considered as a thermal destabilization of MgH2), it has been explained by a structural deformation of the lattice resulting from different bonding strength for Mg-H and M-H. The major drawback of these compounds is that they are metastable phases; if the Mg7MH16 hydride exists, its decomposition leads to a demixion and the compound is not reversible. In fact, interstitial hydrogen is responsible for the cohesion of the ternary hydrides structure. Partial reversibility has been demonstrated from compounds obtained by partial substitution of Mg atoms by a metal, forming thus a quaternary hydride Mg7-yM’yMH16.
The present project is focused on the study of thin films elaborated by PAPVD (Plasma-Assisted Physical Vapor Deposition), a non-conventional technique for synthesis under extreme conditions (very low pressure). More precisely, we aim to investigate the feasibility of stabilized fcc compounds in order to exploit the reversibility between metallic alloy and hydride for hydrogen storage. Mg7-yM’yMH16 quaternary hydrides obtained by substitutions of Mg and/or M atoms in the lattice will be investigated. As substituting elements, we will focus on transition metals and in particular Al and Zn since they are likely to alloy with both Mg and other transition metal elements.
MARIA’S STORY project is a fundamental research project aiming to the definition of the composition of a quaternary hydride showing optimized H2 storage properties. The project is divided into 3 mutually dependent parts: 1) ab initio modeling, 2) synthesis of thin films, and 3) characterization.
Ab-initio modeling aims at gaining a better understanding of the cohesion of the structure of the compound Mg7-yM’yMH16. Theoretical calculations should allow to predict which element would improve the stabilization of the metallic lattice and thus bring key information for the synthesis.
Thin films synthesis will be performed using the non-conventional technique of PAPVD. This elaboration method offers not only a large flexibility for varying the experimental conditions but also the possibility of large scale production of these promising materials.
Characterization will be mainly focused on the determination of chemical composition and structure of the phases. Hydrogen storage performance of the materials will be studied through H2 sorption reactions.
Project coordination
Laetitia Laversenne (Institut Néel)
The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.
Partnership
CNRS Institut Néel
Help of the ANR 213,200 euros
Beginning and duration of the scientific project:
August 2012
- 36 Months
