CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

BCN pour un stockage REVERSIBLE de H2 – REVERSIBLE

Matériaux à base d’atomes légers pour stocker l’hydrogène de façon réversible

Le bore et l’azote, voisins du carbone dans le tableau périodique des éléments, permettent la production de matériaux légers et poreux, qui peuvent alors absorber puis libérer des gaz comme l’hydrogène moléculaire H2 mais aussi d’autres gaz tel que le dioxyde de carbone CO2.

Le stockage réversible de l’hydrogène

L’hydrogène moléculaire est un vecteur d’énergie qui sera amené à jouer un rôle majeur dans les années qui viennent. Bien que disponible à l’état naturel, la demande mondiale en énergie nous oblige à développer une économie de production, stockage, distribution et utilisation. Autrement dit, l’hydrogène doit être produit (par électrolyse par exemple), stocké et distribué, et enfin converti en électricité (piles à combustible). Le développement de cette économie se heurte toutefois à des obstacles et l’un d’entre eux concerne le stockage de l’hydrogène. Il existe différentes approches pour stocker l’hydrogène, et la plus mature est aujourd’hui le stockage sous pression (700-1100 bar) à température ambiante, mais elle se heurte à des limites (sécurité et capacité de stockage notamment). La recherche académique explore donc aujourd’hui des alternatives qui puissent permettre de stocker encore plus d’hydrogène et de façon plus sûre, c’est-à-dire à plus basse pression et toujours à température ambiante. Or, cela pourrait se réaliser en développant des matériaux poreux à base d’atomes légers (bore, carbone et azote) qui absorberaient et libéreraient l’hydrogène comme une éponge adsorbe et libère l’eau.

Les matériaux poreux à base d’atomes légers (bore, carbone et azote) ci-dessus mentionnés ont été élaborés via une approche ascendante incluant la production de molécules à base de bore, carbone et azote (des amine-boranes), leur structuration à l’échelle nanométrique, leur polymérisation à des températures voisines de 100 °C, et enfin leur pyrolyse à des températures supérieures à 500 °C afin de produire des matériaux poreux dits BCN. C’est ainsi que nous avons développé une série de nouvelles molécules pour la première étape de notre approche et une série de nouveaux matériaux BCN (très) poreux pour la dernière étape. Tous ces nouveaux composés ont été analysés finement en utilisant toutes les techniques pertinentes et à notre disposition, et les matériaux BCN poreux ont finalement été testés pour le stockage de l’hydrogène notamment.

Le projet REVERSIBLE a produit plusieurs nouvelles molécules, des amine-boranes à chaînes carbonée, ce qui nous a permis de mieux connaître leurs propriétés physicochimiques, de mettre en évidence l’importance de la liaison faible dihydrogène existant entre molécules, et d’explorer leur potentiel pour produire des matériaux BCN et BN dopé C poreux. En effet, plus d’une dizaine de matériaux BCN et BN dopé C poreux ont été produits, analysés, et testés. Bien que peu efficace dans le stockage de l’hydrogène, ces matériaux ont montré des performances remarquables dans l’adsorption du dioxyde de carbone, ouvrant de nouvelles perspectives de développement dans un contexte environnement de réduction des émissions de ce gaz.

Les matériaux BCN sont capables d’adsorber et de stocker l’hydrogène, toutefois, cela n’est effectif qu’à basse température, à savoir -196 °C comme pour tous les matériaux poreux en développement aujourd’hui. Des perspectives d’application dans ce domaine restent ouverts à condition d’augmenter considérablement la porosité. Les matériaux BCN sont, à ce stade, bien plus prometteurs pour la capture du dioxyde de carbone à température ambiante. Cela ouvre donc des perspectives de développement dans un domaine sensible et ces matériaux pourraient, à l’avenir, être étudiés davantage et optimiser pour participer à la réduction des émissions de dioxyde de carbone.

La recherche effectuée dans le cadre de ce projet collaboratif nous a permis de développer nos connaissances et acquérir de nouvelles sur les amine-boranes et les matériaux BCN et/ou BN dopé C poreux. A ce jour, nous avons partagé nos résultats avec la communauté scientifique au travers de 6 articles scientifiques parues dans des journaux internationaux et reconnus et au travers de 8 présentations lors de congrès nationaux et internationaux. Par ces actions, nous nous sommes positionnés, à l’échelle mondiale, comme les leaders dans ce domaine de recherche.

C’est un projet de recherche collaboratif. Il implique 2 partenaires académiques qui ont démontré, dans un passé proche, la qualité de leurs complémentarités scientifique et technique au travers d’une coopération synergique. Ce fut dans le cadre d’un projet préliminaire qui a conduit à la preuve de concept constituant le cœur de ce présent projet. Des nanoparticules d’ammoniaborane (AB) ont été préparées avec succès en utilisant un adduit amine-borane (AAB) comme surfactant. De telles nanostructures AB@ABA ouvrent donc des perspectives nouvelles pour l’élaboration de matériaux poreux BCN via un traitement thermique maîtrisé. Ces dernières années des calculs informatiques, ab initio notamment, ont prédits que les matériaux BCN constitueraient la solution clef pour un stockage réversible de l’hydrogène moléculaire dans les conditions ambiantes. Toutefois, les prédictions n’ont pas encore été confirmées expérimentalement… Le projet que nous proposons a pour objectifs de confirmer un tel potentiel et d’être en rupture avec ce qui a été fait jusqu’à ce jour dans le domaine du stockage réversible de H2. En d’autres termes, notre projet en en phase avec le défi B2 de l’ANR et s’accorde avec l’axe 1.5 dédié notamment à « l’hydrogène et les piles à combustible ».

Coordination du projet

Umit DEMIRCI (Institut Européen des Membranes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ICGM Institut de chimie moléculaire et des matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier
I.E.M. Institut Européen des Membranes

Aide de l'ANR 358 560 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 48 Mois

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