Afin d’enrayer le dérèglement climatique actuel dû à l’utilisation à grande échelle de combustibles fossiles comme source d’énergie, une transition vers des énergies non émettrices de dioxyde de carbone est nécessaire. L’hydrogène, vecteur d’énergie neutre en dioxyde de carbone, pourrait y jouer un rôle important. Cependant, ses propriétés thermodynamiques interdisent de le stocker pur à des pressions modérées dans un volume raisonnable pour alimenter un véhicule. Le stockage solide sous forme d’hydrure métallique semble être une solution prometteuse à ce problème. Les alliages de structure cubique centrée à base de vanadium étant légers comparés aux alliages à base de terres rares étudiés depuis les années 1970, cette thèse a pour objet l’étude des propriétés d’hydrogénation (pression d’équilibre et capacité d’absorption notamment) d’alliages du système Fe Ti–V. Les composés à étudier devant être de structure cubique centrée et la limite de solubilité du fer dans cette phase du système Fe–Ti–V n’étant pas documentée de manière fiable, la première partie du travail a consisté en l’approfondissement des connaissances sur le diagramme d’équilibre grâce notamment à la détermination des sections isothermes à 1000 °C et 1200 °C. Pour cela, des échantillons massifs ont été synthétisés par fusion en four à arc puis recuit en four résistif. Les relations de phases ont été systématiquement analysées par diffraction des rayons X sur poudre et microsonde électronique. Grâce à ces techniques, nous avons pu montrer qu’après recuit à 1000 °C, la limite de solubilité du fer dans un alliage Ti–V dépasse 15 at.% pour tout rapport Ti/V. Lorsque la température de recuit est portée à 1200 °C, cette limite de solubilité dépasse 20 at.% de fer quel que soit le rapport Ti/V < 1. Une réaction quasi-péritectique a également pu être mise en évidence à 1140 °C et une projection de la surface liquidus est proposée, basée sur l’analyse de la microstrucure des échantillons. La seconde partie de notre travail a consisté en l’étude sur banc manométrique des propriétés d’hydrogénation d’échantillons de structure cubique centrée. Il en ressort que la majorité des composés étudiés ont une capacité totale à température ambiante de 1,7H/M, soit 3,4 wt.%, ou 140 g_L-1, la capacité réversible s’élevant à 0,98H/M, soit 1,93 wt.%, ou 82,5 g_L-1 (densité supérieure à celle du dihydrogène liquide) pour l’échantillon de compositionTi10V88Fe2. La dépendance entre l’enthalpie d’hydrogénation et la compositiondes échantillons est linéaire et a été déterminée. On peut ainsi, en fonction de la composition choisie, obtenir des pressions d’équilibre allant de 0,1 bar à plus de 100 bar. Une étude structurale par diffraction des rayons X pour de faibles concentrations en hydrogène a mis en évidence la déformation de la maille cubique en maille quadratique lorsque la quantité d’hydrogène absorbé augmente. La cinétique d’absorption des échantillons de structure cubique centrée est par ailleurs très avantageuse, puisqu’une minute suffit pour que 90% de la capacité totale soit atteinte. En revanche, on observe un ralentissement de la cinétique en fonction du nombre de cycles appliqués. Toutefois, ce type d’alliage reste prometteur pour des applications de stockage de l’hydrogène / In order to stop the current climatic disturbance due to the large scale use of fossilfuels as a source of energy, a transition towards less carbon dioxide emitting energies is necessary. Hydrogen, a carbon dioxide neutral energy carrier, could play an important role. However, its thermodynamic properties prevent from storing it pure under moderate pressure in a reasonable volume in order to feed a vehicle. Metallic hydride storage seems to be a promising solution to this problem. Vanadium based body centered cubic alloys being light compared to rare earth based alloys used since the 1970s, the purpose of this work is the study of the hydrogenation properties (equilibrium pressure and absorption capacity in particular) of Fe–Ti–V system alloys.Since the compounds to be investigated have to take the body centered cubic structure, but the solubility limit of iron in this phase of the Fe–Ti–V system is not reliably documented, the first part of this work consisted in deepening the equilibrium diagram knowledge by determining the isothermal sections at 1000 °C and 1200 °C. With this aim in view, bulk samples were synthesized by arc melting followed by an annealing in a resistive furnace. The phase relations were systematically analysed by means of powder X-ray diffraction and electron probe microanalysis. Thanks to these techniques, we showed that after annealing at 1000 °C, the solubility limit of iron in a Ti–V alloy exceeds 15 at.% for any ratio Ti/V < 1. A quasi-peritectic reaction at 1140 °C could also be evidenced and a liquidus surface projection is proposed, based on microstructural analyses. The second part of this work consisted in the study of the hydrogenation properties of body centered cubic samples. The majority of the studied compounds showed a total capacity at ambient temperature of 1.7H/M, corresponding to 3.4 wt.%, or 140 g_L��1, and the reversible capacity of the sample of composition Ti10V88Fe2 amounts to 0.98H/M, corresponding to 1.93 wt.%, or 82,5 g_L��1 (density higher than that of liquid hydrogen). There is a linear relationship, which was determined, between the alloy compositions and the hydrogenation enthalpy. We can thus, depending on the chosen composition, obtain equilibrium pressures ranging from 0.1 bar to more than 100 bar. A structural study by meansof X-ray diffraction for low hydrogen concentrations pointed out the unit cell distortionfrom body centered cubic to body centered tetragonal by increasing hydrogen concentration. Furthermore, absorption kinetics of the body centered cubic samples is interesting, since 90% of the total capacity is absorbed within one minute. On the other hand, a slowing down of the kinetics is observed when a large number of hydriding – dehydriding cycles is applied. However, this kind of alloy remains promising for hydrogen storage applications

La problématique de la première absorption (i.e. étape d’activation) de l’intermétallique FeTi, pour le stockage de l’hydrogène est souvent un frein pour son industrialisation. Le challenge réside dans la conception d’un « nouveau matériau » dont la première étape d’hydrogénation, s’effectue dans les mêmes conditions de température et de pression modérées, que lors de l’hydrogénation réversible. Une solution est de faire appel aux performances d’un élément dopant et/ou à la technique du broyage mécanique. Dans ce manuscrit, nous proposons l’utilisation de l’hafnium comme dopant. Ce projet complète les études qui ont été effectuées sur le zirconium (e.g. le zirconium commercial contient toujours une certaine quantité d’hafnium). L’ajout d’une faible quantité d’hafnium induit la formation d’une phase secondaire, « riche » en hafnium et en fer. Grâce à la présence de cette phase, la cinétique de première absorption est considérablement améliorée, et ce, sans traitement thermique préalable. L’étape d’activation comprend un seul mécanisme lorsque la taille des particules est faible. A contrario, un second mécanisme est mis en évidence, pour des particules de taille supérieure à 0,5 mm. La mécanosynthèse a permis non seulement d’obtenir la phase principale FeTi, mais aussi de favoriser la première absorption d’hydrogène. Des paramètres d’élaboration méticuleusement optimisés ont rendu possible la conception d’un matériau « modèle », par pulvérisation cathodique magnétron, sous forme de couche mince. Ce matériau modèle pourrait servir à étudier et à comprendre la diffusion de l’hydrogène à l’interface de la matrice FeTi et du dopant Zr ou Hf. / The issue of the first hydrogenation (i.e. activation process) of the intermetallic FeTi for the storage of hydrogen is often a brake for its use in industry. The challenge lies in the design of a "new material" whose first hydrogenation is carried out under the same conditions of moderate temperature and pressure, as during reversible absorption. Efficient solutions are to use a doping element and/or mechanical alloying process. In this work, we propose to use hafnium as a dopant. This project completes the studies that have been carried out on zirconium (e.g. commercial zirconium always contains a certain amount of hafnium). The addition of a small amount of hafnium induces the formation of a secondary phase, "rich" in hafnium and iron. Thanks to the presence of this phase, the kinetics of activation process is improved, without prior heat treatment. The activation process consists of a single step, when the particle size is small. However, a second step appears, for particles bigger than 0.5 mm. The mechanical alloying allowed the formation of the main phase FeTi, and also enhanced the activation process. An accurate control of deposition conditions allow us to design a ″model″ material by magnetron sputtering as thin layers. This ″model″ material can be used to study and understand the hydrogen diffusion, at the interface of the matrix (FeTi) and the dopant (Zr or Hf).

Le but de cette étude était la compréhension des mécanismes de stockage de l'hydrogène etl'amélioration de la capacité de stockage dans (1) le magnésium et (2) les composés intermétalliques àbase de bore.(1) Les poudres de magnésium avec ajout de 10% massique d’oxyde de magnésium ont étébroyées à l'aide d'un broyeur planétaire à billes, par broyage mécanique réactif sous atmosphèred'hydrogène (10 bars) pendant 10 heures, en variant deux paramètres: la vitesse de broyage et le nombrede billes utilisées (i.e., le rapport massique poudre : billes). Il semblerait que les poudres broyées à250rpm en utilisant 17 billes (rapport de 1: 13) présentent des performances supérieures en termes de:taille des particules, contenu en MgH2 après broyage, surface spécifique et cinétiquesd'absorption/désorption de l'hydrogène. Nous avons vérifié que l'oxyde de magnésium a un effet deretardement significatif de la croissance des grains. Le calcul des énergies d'activation et l'étude descinétiques ont montré que l'oxyde de magnésium ne joue pas de rôle catalyseur pour la sorptiond'hydrogène.(2) Les composes synthétisés dans les systèmes ternaires La-MT-B, Gd-MT-B et Y-MT-B (MT=Ni,Fe, Co) ont été étudiés en termes de leur structure cristalline, composition chimique et propriétés desorption de l'hydrogène. La majorité des composés obtenus dans ces systèmes cristallisent avec unestructure type CeCo4B, avec des paramètres de maille proches de ceux du composé GdNi4B. Leremplacement total du Ni par des atomes de Fe et/ou Co est possible, indiquant l’existence d’une solutionsolide totale entre TRNi4B et TRFe4B ou TRCo4B. En outre, le bore est supposé occuper partiellementdeux sites cristallographiques différents, mais l’un seul d'entre eux est principalement occupé par le bore.La nouvelle phase GdNi2,5B2,5 a également été observée dans cette étude pour la première fois. Unephase pseudo-binaire GdB3 a été également reportée. Enfin, il est montré que seul le composé LaNi4Babsorbe l'hydrogène, quoique de manière irréversible. / The aim of this study was the comprehension of hydrogen storage mechanisms and theimprovement of storage capacity in (1) magnesium and (2) boron based intermetallic compounds.(1) Magnesium powders with 10 wt.% magnesium oxide were milled using a planetary ball mill, byreactive mechanical grinding under hydrogen atmosphere (10 bar) for 10 hours, varying two parameters:the milling speed and the number of balls used (i.e. the powder-to-ball weight ratio). It appears that thepowders milled at 250 rpm using 17 balls (ratio 1: 13) have superior performances in terms of: particlesize, MgH2 content after milling, specific surface area and hydrogen absorption/desorption kinetics. Wehave verified that the magnesium oxide has a significant effect on grain growth, delaying it. Calculation ofthe activation energies and study of the kinetics showed that magnesium oxide does not play a catalyticrole for hydrogen sorption.(2) The compounds synthesized in the ternary systems La-TM-B, Gd-TM-B and Y-TM-B (TM=Ni,Fe, Co) were studied in terms of their crystal structure, chemical composition and hydrogen sorptionproperties. Most of the compounds obtained in these systems crystallize with a CeCo4B-type structure,with lattice parameters close to those of the compound GdNi4B. A total replacement of Ni by Fe and/or Cois sometimes possible, meaning that a total solid solution exists between RENi4B and REFe4B or RECo4B.Also, the boron is assumed to partially occupy two different crystallographic sites, although only one ofthese is mainly occupied by boron. The new phase GdNi2.5B2.5 was also observed in this study for the firsttime. In addition, a pseudo-binary phase GdB3 is observed. Finally, it is reported that only the compoundLaNi4B absorbs hydrogen, albeit irreversibly.

Les matériaux nanocomposites poreux organisés présentent de nombreuses propriétés dans le domaine de l’adsorption. Cette étude est portée sur la synthèse de matériaux poreux de grande aire spécifique fonctionnalisés par des nanoparticules métalliques en visant des applications dans le domaine de l’adsorption: en phase liquide et en phase gazeuse.La première application concerne la détection en phase liquide de molécules à de faibles concentrations. Des nanocomposites composés d’une matrice poreuse de silice dans laquelle sont insérées des nanoparticules de métaux nobles (i.e. Ag@SiO2 et Au@SiO2) sont étudiés comme substrats SERS en couplant thermodynamique et spectroscopie Raman. Ce couplage de l’étude de la réponse Raman et de l’étude thermodynamique de l’adsorption a conduit à une meilleure compréhension de l’influence des particules sur le seuil de détection de la molécule. L’influence de plusieurs paramètres sur la réponse Raman de la molécule sonde et sur ses propriétés d’adsorption a aussi été étudiée (la taille des particules, la nature chimique du métal, etc.).La seconde application concerne le stockage d’hydrogène. Des nanocomposites composés de matrices poreuses de silice ou de carbone dans lesquelles sont incorporées des nanoparticules d’un métal de transition (i.e. Ni@SiO2 et Ni@Carbone) sont étudiés comme matériaux de stockage en couplant manométrie et microcalorimétrie d’adsorption. La mise en place d’une méthode de réduction adaptée a constitué une étape importante de ce travail. Ce couplage d’études thermodynamiques de l’adsorption a permis de déterminer les propriétés d’adsorption de l’hydrogène à basse température et basses pressions de ces matériaux. / Nanocomposite organized porous materials present many properties in particular in the field of adsorption. This study was based on the synthesis of porous materials of high specific surface area functionalized with metal nanoparticles focusing in particular on two applications in the field of adsorption: one in the liquid phase and the other one in the gas phase.The first application is the detection of molecules in the liquid phase at low concentrations. Nanocomposites composed of a porous silica matrix in which are inserted noble metal nanoparticles (i.e. Ag@SiO2 and Au@SiO2) are studied as SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) substrates by coupling thermodynamics and Raman spectroscopy. The coupling of the Raman response study and the thermodynamics of adsorption study leads to a better understanding of the influence of the particles on the molecule detection threshold. The influence of various parameters on the Raman response of the probe molecule and its adsorption properties were also studied (the particle size, the chemical nature of the metal, etc.)The second application relates to the storage of hydrogen since Nanocomposites composed of porous silica or carbon matrices in which are incorporated transition metal nanoparticles (i.e. Ni@SiO2 and Ni@Carbon) were studied as storage materials by coupling the adsorption manometry and microcalorimetry. The establishment of a suitable reduction method was an important step in this work. This coupling of thermodynamic studies of the adsorption was used to determine the adsorption properties of hydrogen at low temperature and low pressures of these materials.

Une porosité hiérarchisée au sein de mousses solides permet la combinaison des avantages offerts par différentes échelles de structuration : les macropores offrent un grand volume poreux et une diffusion facilitée des réactifs, tandis que mésopores et micropores permettent confinement et grande surface spécifique. La chimie intégrative, en associant la matière molle et la chimie douce, dispose d’une variété de voies de synthèse pour obtenir de tels matériaux. Nous avons ainsi utilisé des émulsions et des tensioactifs comme empreintes pour la chimie sol-gel afin d’obtenir des mousses de silice présentant une porosité hiérarchisée. Elles ont ensuite été employées comme empreintes dures pour synthétiser des mousses de carbone, utilisées comme électrodes de batteries lithium-soufre présentant de grandes capacités. Nous avons ensuite étudié l’effet sur leurs performances de nanoparticules métalliques. Ces mousses ont également été testées pour le stockage de l’hydrogène, et nous avons montré un cyclage avec LiBH4 en présence de nanoparticules métalliques. Enfin, les mousses de silices ont été étudiées en tant que support pour la croissance bactérienne. En effet, lorsque des bactéries croissent dans un milieu confiné, leur cinétique de croissance et leur concentration finale peuvent être totalement différentes de ce qui est observé dans des cultures classiques, ce qui a un grand intérêt dans des domaines comme la biocatalyse. / Hierarchical porosity in solid foams allows the combination of the advantages offered by the different scales of structuration : macropores allow high porous volume and easy diffusion of reagents, while mesopores and micropores allow confinement and high specific surface areas. Integrative chemistry, associating soft matter and soft chemistry, offers a variety of synthetic pathways to generate such materials. We used emulsions and surfactants to template sol-gel chemistry in order to obtain silica foams bearing hierarchical porosity. These silica foams were employed as hard templates to synthesize carbon foams, used as electrodes in lithium-sulfur batteries bearing high capacities. We then explored the impact on performances of loading them with metallic nanoparticles. We also studied the potential of those carbon foams for hydrogen storage, and we obtained cycling capabilities with LiBH4 after loading them with metallic nanoparticles. Finally, the silica foams were used as a support for bacterial growth. Indeed, when bacteria grow in a confined medium, the kinetics of growth and their final concentration can be totally different than what is observed in classical cultures, which is of high interest for applications such as biocatalysis.

Ce travail a pour but de proposer une nouvelle approche du dimensionnement optimisé des réservoirs de stockage d’hydrogène de type IV visant à mieux répondre aux enjeux industriels. Les objectifs scientifiques et techniques consistent à disposer de modèles qualifiés pour la simulation du comportement de ces réservoirs, associés à des méthodologies de dimensionnement et d’optimisation fiables. La démarche s’appuie sur trois axes principaux :– proposer une démarche de conception prédictive en intégrant (i) un premier aspect lié à la ruine de la structure qui est la conséquence de mécanismes complexes et multiples d’endommagement s’initiant, s’accumulant et se développant dans un milieu anisotrope et (ii) des modèles de simulation de la structuration composite spécifique au procédé d’enroulement filamentaire, technologie employée largement dans la fabrication des réservoirs de stockage à haute pression. Leurs implémentations constituent une première avancée face à l’existant ;– choisir et évaluer les paramètres structuraux par une démarche d’optimisation où nous sommes amenés à utiliser (i) des méthodes de métamodélisation permettant de répondre aux contraintes de coûts, (ii) des méthodes spécifiques de tri et (iii) des méthodes à spectres larges qui recherchent des solutions sur une large population telles que des méthodes génétiques ;– qualifier la démarche dans sa globalité par une comparaison entre calculs et essais. Ainsi, la finalité de ce travail est de développer et valider des modèles et méthodes pour permettre de mieux concevoir, tester et fabriquer à moindre coût un réservoir avec une structure calculée optimisée. / The purpose of this study is to suggest a new way to design type IV high pressure hydrogen composite vessels to better fulfil industrial requirements. Developing suitable models for the comportment’s simulation of these vessels in relation with a reliable design method is the main scientific and technical aim. This approach relies on the three following lines :– perform a predictive design method using the most recent theoretical and numerical works investigated on composite materials and more specifically in taking into account (i) an essential aspect linked to the structural failure which is the consequence of the initiation, accumulation and propagation of complex damage mechanisms and (ii) the use of specific composite lay-up models related to the filament winding process, used for pressure vessels manufacturing. These approaches are significant breakthroughs compared with previous studies ;– choose and assess structural parameters with an optimisation approach where we use (i) surrogate methods to meet economic requirements, (ii) specific sorting methods and (iii) broad-spectrum methods such as genetic algorithm methods ;– approve of the whole approach by theoretical and experimental comparisons.The goal of the project will be to develop, provide and approve models to enable a better conception and industrialisation of an optimal high pressure vessel in relations with costs.