Nouveaux materiaux hybrides a base de carbone pour le stockage de l'hydrogene – HYSTOR

Le but du projet est de produire une nouvelle classe des matériaux hybrides à base de carbone, nanoporeux, optimisés pour un stockage de l’hydrogène pour les applications véhiculaires. Pour cela, nous proposons d’utiliser la synthèse physique en arc électrique, une méthode peu conventionnelle et jamais utilisée pour cette finalité.
Le projet propose d’aborder simultanément les deux aspects (théorique et expérimental) du problème de stockage de l’hydrogène par physisorption. La procédure d’étude comportera tous les étapes nécessaires pour développer un nouveau matériau voué à une application précise : 1) synthèse de nouveaux adsorbants, 2) leur caractérisation, 3) modélisation numérique multi-échelle.
1) La synthèse des structures poreuses va utiliser la méthode physique de décharge (arc) électrique entre deux électrodes de graphite. Cette technique, utilisée depuis plus de 20 ans pour synthétiser des fullerènes et nanotubes de carbone, va être tout d’abord optimisée pour produire de structures fragmentées quasi planes, de type de graphene, de taille nanométrique. Ensuite, des structures contenant des atomes hôtes (B, Be, N, ou leurs combinaisons) seront préparées. Il a été déjà démontré, qu’une large quantité (jusqu’à 30% de masse) des hétéroatomes peut être incorporée dans la structure du graphene, à condition d’utiliser des méthodes qui opèrent à haute températures (typiquement, ~3000 K). Parmi les méthodes possibles, la déchargé en arc électrique offre l’avantage de produire une quantité significative du matériau (nécessaire pour une caractérisation ultérieure approfondie) ; la méthode peut aussi être adaptée ensuite à la production de matériaux à grande échelle (centaines de grammes voir kilogrammes).
2) Un large éventail de méthodes expérimentales va être déployé pour caractériser les matériaux préparées en 1). La morphologie des échantillons va être analysée par les microscopies électroniques. EELS, RMN et spectroscopie Raman vont être utilisées pour déterminer si les hétéroatomes introduits durant la synthèse sont effectivement substitues dans la structure de graphene et quantifier le taux de substitution. La surface spécifique des matériaux et la distribution de tailles de pores seront déterminées des mesures d’adsorption de N2 et Ar dans les échantillons. L’énergie d’adsorption sera évaluée par des méthodes calorimétriques. Finalement, la capacité de stockage de l’hydrogène sera évaluée à partir de mesures d’isothermes d’adsorption, à température ambiante et à T=77 K, dans une large gamme de pressions, jusqu’à 200 bar.
3) Les études expérimentales vont être complétées par des simulations numériques de la stabilité des structures, distribution d’énergie d’adsorption en fonction de taux de substitution, et finalement, par les simulations des isothermes d’adsorption de l’hydrogène. Les résultats des simulations vont compléter la caractérisation de matériaux par des paramètres difficilement accessibles (ou non accessibles) à partir des données expérimentales, et permettrons de proposer un modelé microscopique du mécanisme d’adsorption. Ces informations seront utilisées pour guider la synthèse de matériaux et de l’orienter vers les structures les plus prometteuses.