Boranes, hydrures complexes vecteurs d’hydrogène: stockage, hydrolyse et synthèse par recyclage – BoraHCx

Le contexte énergétique et environnemental actuel est assez propice au développement d?énergies alternatives et/ou nouvelles, comme par exemple l?hydrogène. Néanmoins la problématique liée à son stockage entrave le développement d?une économie relative à ce vecteur d?énergie. Aujourd?hui de nombreuses solutions de stockage sont envisagées. Parmi les plus prometteuses se distinguent nettement les hydrures de bore comme l?ammoniaborane NH3BH3. En effet celui-ci est composé à 19.6 % en poids d?hydrogène, ce qui représente une des capacités massiques de stockage d?hydrogène les plus élevées. Or, à notre connaissance, NH3BH3 n?est pas (encore) étudié en France. C?est dans ce contexte que nous avons entamé une première étude sur les réelles capacités de ce matériau et les premiers résultats sont assez encourageants. Dès lors, dans le cadre de ce projet ANR Jeunes Chercheurs, nous proposons de développer, à plus grande échelle, notre activité de recherche autour de ce matériau et de nous (laboratoire, université et nation) positionner sur l?échiquier international relatif à ce domaine de recherche. Nous proposons donc d?étudier, avec des objectifs fondamentaux et appliqués, NH3BH3, qui est un matériau à fort potentiel pour le stockage de l?hydrogène. Nous étudierons en détails ses capacités de stockage et de génération d?hydrogène. Pour la production d?hydrogène, nous étudierons l?hydrolyse catalysée. Les études autour de cet hydrure étant récentes, les aspects fondamentaux n?ont pas encore été étudiés en détails. Ainsi il y a un large champ d?investigation qui reste à explorer : - Mécanismes réactionnels, - Nature et évolution in-situ des intermédiaires de réaction, - Nature et évolution in-situ des sites actives des catalyseurs métalliques, - Etudes cinétiques (énergie d?activation et ordres de réaction) et modèles cinétiques, - Nature des sous-produits d?hydrolyse. Pour cette étude fondamentale, un catalyseur modèle sera choisi (après un premier screening antérieur au projet). Cette étude constituera la tâche 1 de notre projet. La tâche 2 sera complètement dépendante de cette tâche 1. Les informations fondamentales obtenues au cours de la tâche 1 devraient alors nous permettre de démarrer une étude plus appliquée, qui aura les objectifs suivants : - Recherche d?un catalyseur métallique efficace, réactif et sélectif, en privilégiant les métaux de transition (comme Co ou Ni) au détriment aux métaux nobles (Pt, Ru ou Rh), - Optimisation du meilleur catalyseur métallique en termes de durabilité en conditions opératoire, - Mise en forme du matériau catalytique relativement à une application technologique (dépendance avec la solution de stockage optimale optée en tâche 3), - Caractérisation complète du catalyseur, avant et après réaction d?hydrolyse. Ces objectifs seront ceux de la tâche 2. La tâche 3 aura pour objet de : - Optimiser les capacités massiques de stockage en hydrogène du système NH3BH3-H2O, soit en réduisant les quantités d?eau pour atteindre les proportions stoichiométriques, soit en pensant l?utilisation de NH3BH3 différemment (solide, gel, etc.). Les trois premières tâches seront réalisées dans le cadre d?une thèse doctorale pour laquelle nous demandons un financement à l?ANR. La thèse se divisera en trois années, avec une année consacrée pour chaque tâche. Les tâches 2 et 3, bien qu?indépendantes en grande partie, auront pour objectif ultime de proposer un prototype à l?échelle du laboratoire. Ce prototype intégrera le meilleur catalyseur mis en forme et la solution de stockage la plus optimale en termes de capacités. Indépendamment des tâches précédentes, une tâche 4 se consacrera à la synthèse de NH3BH3. En fait, la synthèse se fera à partir des sous-produits de la réaction d?hydrolyse. Les objectifs seront donc de : - Recycler les sous-produits d?hydrolyse idéalement en NH3BH3 ou à défaut en un autre hydrure de bore comme par exemple LiNH2BH3 ou NH3B3H7, - Hydrolyser et thermolyser les hydrures recyclés. Un chercheur post-doctorant sera recruté dans le cadre de nos activités liées à cette tâche 4 et un financement relatif sera préalablement demandé à l?ANR. Pour conclure, cinq jeunes chercheurs permanents et deux jeunes chercheurs doctorant et post-doctorant s?impliqueront pour la réussite de ce projet. Aussi nous utiliserons en grande partie nos équipements existants et valoriserons donc nos montages destinés à l?hydrolyse d?hydrures de bore. Enfin nos principales forces seront la complémentarité de nos compétences, notre expérience dans la chimie du bore et notre expérience dans le stockage de l?hydrogène via l?hydrure de bore NaBH4 (ainsi que son hydrolyse catalysée).