This work presents theoretical and experimental findings pertaining to the possible replacement of conventional, automotive fuels by solid, light alkaline-metal borohydrides (EM+,B3+/H-). On a complete oxidation basis, and under certain arrangements, the latter fuels have volumetric energy capacities that exceed the most recognized, automotive constraints; furthermore, the solid metal oxide products (EM+,B3+/02-) have the potential to be regenerated off-board to their respective hydrides via electrolytic reverse complete oxidation processes. Electrolytic reverse complete oxidation processes are conceptualized as water electrolysis and electrolytic reverse combustion or electrolytic reverse hydrolysis unit operations in series. To more clearly express these mostly electrochemical fuel-cycles, a thermodynamic reaction model was contrived. To investigate the electrolytic reverse hydrolysis hypothesis, attempts were made to prepare metal-supported, electrolytic reverse hydrolysis anode compartments. The glycine nitrate process facilitated the synthesis of nickel iron oxide (anode) and select doped ceria fluorite and double-doped LaGaO3 perovskite (solid oxygen anion electrolytes) powders. Hydridic electrolyte compositions belonging to the Na2BH5-Na413205 quasi-binary system were synthesized from NaH, NaBH4 and NaB02. Analyses for the materials' compatibilities and solubilities studies (823 + 10 °K, 1.00 f 0.01 MPa) included induction coupled plasma, inert x-ray diffraction, and scanning electron microscopy. NaH reduces magnetite to austenite; hence, the most promising solid oxygen anion electrolyte, Lao7Sro3GauFeo3Mgo 103.6 (LSGFM), cannot be in direct contact with these hydridic electrolytes. The other oxides of Lao8Sro2Ga08Mg0203.6 are significantly soluble in these melts, but either a quenching or an electrochemical technique will be required to more accurately assess their values. For the preparation of small, metal-supported, electrolytic reverse hydrolysis anode compartments, suspension plasma spraying was used for the depositions of the anode and solid oxygen anion electrolyte layers. Energy dispersive x-ray spectroscopy, scanning electron microscopy, and x-ray diffraction were used for the analyses of the resultant coatings' characteristics. In consequence of LSGFM's remarkable specific conductivity at — 673 °K, a solid oxygen anion electrolyte-supported, electrolytic reverse combustion or electrolytic reverse hydrolysis anode compartment design may be considered, but this will require the addition of a protective, solid oxygen anion electrolyte layer. The thermodynamic analyses has identified scandia stabilized zirconia as the most auspicious solid oxygen anion electrolyte; hence, understanding the nature of the anhydrous Sc)+,Zr4*,B3+,Na+,H+/H",02" system at 723 ± 50 °K and < 1.0 MPa is paramount to further efforts regarding electrolytic reverse hydrolysis or electrolytic reverse combustion proof-of-concept studies. [symboles non conformes]

L’utilisation des combustibles fossiles (énergies non renouvelables) est responsable de l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Parmi les solutions de remplacement envisagées, l’hydrogène apparaît comme le vecteur énergétique le plus séduisant. Son stockage dans des intermétalliques permet d’obtenir des capacités massiques et volumiques (e.g. 140 g/L) supérieures à celles obtenues en voie liquide ou sous pression (respectivement 71 et 40 g/L). Nous avons élaboré des composés à base de Mg et de terres rares (e.g. Y, Ce et Gd) dérivant des phases de Laves cubiques AB2. Leurs propriétés physico-chimiques ont été étudiées (hydruration, électrochimie, magnétisme, …). Les conditions de sorption (P et T) se sont révélées particulièrement favorables (i.e. absorption à température ambiante et pression atmosphérique). Par ailleurs, afin d’améliorer la cinétique de sorption du magnésium métallique, les composés précédemment élaborés ont été utilisés comme catalyseurs. Ainsi, GdMgNi4 a été co-broyé avec du magnésium et les vitesses d’absorption et de désorption du composite sont supérieures à celles obtenues pour les composites Mg+Ni ou Mg+V qui sont des références. Une approche théorique (DFT) a permis de modéliser la structure électronique des composés ternaires (i.e. TRMgNi4) et ainsi de prédire ou de confirmer les résultats expérimentaux. Enfin nous avons étudié de nouveaux intermétalliques riches en terre rare (TR4MgNi) dont les capacités d’absorption en hydrogène sont élevées (2H/M). / The use of fossil fuels (non-renewable energy) is responsible for increasing the concentration of greenhouse gases in the atmosphere. Among the considered alternatives, hydrogen is seen as the most attractive energy vector. The storage in intermetallics makes it possible to obtain mass and volume capacities (e.g. 140 g/L) higher than those obtained by liquid form or under pressure (respectively 71 and 40 g/L). We have synthesised Mg and Rare Earth based compounds (RE = Y, Ce and Gd), derived from the cubic Laves phases AB2. Their physical and chemical properties have been studied (hydrogenation, electrochemistry, magnetism, ...). The conditions of sorption (P and T) are particularly favorable (i.e. absorption at room temperature and atmospheric pressure). Besides, to improve the sorption kinetics of metallic magnesium, the compounds developed previously were used as catalysts. Thus, GdMgNi4 was milled with magnesium and the speeds of absorption and desorption of the mixture are found higher than those obtained for the composites Mg+Ni or Mg+V, which are reference systems. A theoretical approach (DFT) was used to model the electronic structure of the ternary compounds (i.e. REMgNi4) and thus to predict or confirm the experimental results. Finally we have studied new intermetallics rich in rare earth (RE4MgNi) whose hydrogen absorption capacities are high (2H/M).

L'utilisation des combustibles fossiles (énergies non renouvelables) est responsable de l'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Parmi les solutions de remplacement envisagées, l'hydrogène apparaît comme le vecteur énergétique le plus séduisant. Son stockage dans des intermétalliques permet d'obtenir des capacités massiques et volumiques (e.g. 140 g/L) supérieures à celles obtenues en voie liquide ou sous pression (respectivement 71 et 40 g/L). Nous avons élaboré des composés à base de Mg et de terres rares (e.g. Y, Ce et Gd) dérivant des phases de Laves cubiques AB2. Leurs propriétés physico-chimiques ont été étudiées (hydruration, électrochimie, magnétisme, ...). Les conditions de sorption (P et T) se sont révélées particulièrement favorables (i.e. absorption à température ambiante et pression atmosphérique). Par ailleurs, afin d'améliorer la cinétique de sorption du magnésium métallique, les composés précédemment élaborés ont été utilisés comme catalyseurs. Ainsi, GdMgNi4 a été co-broyé avec du magnésium et les vitesses d'absorption et de désorption du composite sont supérieures à celles obtenues pour les composites Mg+Ni ou Mg+V qui sont des références. Une approche théorique (DFT) a permis de modéliser la structure électronique des composés ternaires (i.e. TRMgNi4) et ainsi de prédire ou de confirmer les résultats expérimentaux.

Aujourd'hui, la diminution des ressources d'énergies fossiles corrélée à l'augmentation des besoins et à l'augmentation du taux de CO2 dans l'atmosphère nous poussent à développer de nouvelles énergies.L'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique est une solution. En effet, celui-ci est abondant et sa combustion est très énergétique (3 fois supérieure au pétrole). Cependant, son utilisation se heurte à des problèmes de production, de stockage et d'utilisation. Nous nous sommes ici intéressés au problème du stockage de l'hydrogène à l'état solide. Celui-ci permet d'obtenir des capacités volumiques de stockage importantes (environ 140 g/L) mais est freiné par des capacités massiques et des cinétiques de réaction faibles. Le magnésium se présentant comme un bon candidat en terme de capacité massique (7,6 %), nous nous sommes intéressés aux intermétalliques ternaires TR-M-Mg (TR = terres rares, M = métaux de transition). L'objectif était double : conserver la bonne capacité du magnésium et diminuer l'enthalpie de formation de l'hydrure. Le système TR4NiMg (avec TR = Y et Gd) et les solutions solides dérivées ont été étudiées. Un stockage irréversible de l'hydrogène de 2,5% massique ainsi qu'une transition d'antiferromagnétique à verre de spin ont été observés. Un travail plus exploratoire a permis de découvrir deux nouveaux composés riches en magnésium : LaCuMg8 et Gd13Ni9,5Mg77,5. Ils permettent tous deux l'obtention d'un mélange de phases issu de leur décomposition lors de la première absorption. Ce mélange permet une amélioration significative des propriétés de sorption de l'hydrogène par du magnésium.

Les applications portables et stationnaires des accumulateurs Ni-MH nécessitent sans cesse des autonomies de plus en plus importantes. Cet accroissement d'autonomie peut être obtenu en développant de nouveaux composés intermétalliques hydrurables de type ABx (3

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

La thèse a concerné l'élaboration de matériau composite NH3BH3@BN pour le stockage chimique de l'hydrogène et a été divisée en 3 axes majeurs : la synthèse de NH3BH3 mais aussi celle d'un dérivé, l'hydrazine borane N2H4BH3 (publié dans /Phys.Chem.Chem.Phys/.: 2012, 14, 1768; "Hydrazine borane: synthesis,characterization, and application prospects in chemical hydrogen storage"), optimisation du processus de confinement en utilisant un matériau hôte commercial et abondant comme le charbon actif (NORIT SX1 700 m^2 /g) (publié dans /Int. J. Hydrogen Energy/:2012, 37, 13437 ; "Room-temperature hydrogen release from activated carbon-confined ammonia borane"), synthèse de nanostructures à base de BN, sous forme de nanocapsules creuses et de répliques de poreux à base de charbon actif pour le nanoconfinement de NH3BH3. (à paraitre dans /J. Mater.//Chem/.) / The thesis concerned the development of composite NH3BH3@BN for chemical hydrogen storage material and it has been divided into three major axes: the synthesis of NH3BH3 but also a derivative, hydrazine borane N2H4BH3 (published in / Phys Chem Chem Phys /: 2012, 14, 1768 "Hydrazine borane: synthesis, characterization, and application of prospects in chemical hydrogen storage"....), optimization of the confinement process using a commercial and abundant host material such as activated carbon (Norit SX1 700 m^2/g) (published / Int J. Hydrogen Energy /: 2012, 37, 13437, "Room-temperature hydrogen release from activated carbon-ammonia borane confined.") synthesis BN-based nanostructures in the form of hollow nanocapsules and replica of porous activated carbon for nanoconfinement of NH3BH3. (to be published in / J. Mater.Chem /.)

Récemment, sous des pressions de plusieurs gigapascals, de nouveaux hydrures ont été synthétisés avec des propriétés étonnantes potentiellement porteuses de ruptures technologiques pour le stockage de l’hydrogène ou la supraconductivité. Plusieurs superhydrures sont étudiés expérimentalement et simulés par DFT dans cette thèse. Les diagrammes de phases en pression de LiBH4 et NaBH4, deux composés d’intérêt pour le stockage de l’hydrogène, sont explorés par diffraction de rayons X, spectroscopie Raman et infrarouge jusqu’à des pressions de 300 GPa sans observer de décomposition. L’insertion d’hydrogène dans NaBH4 donne le super-hydrure NaBH4(H2)0.5. Pour éclaircir l’interprétation de la supraconductivité record à 200 K trouvée dans H2S sous pression, le super-hydrure H3S a été synthétisé à partir des éléments S et H. Les résultats de diffraction semblent en désaccord avec l’interprétation communément admise qu’H3S en phase Im-3m est responsable de cette supraconductivité et laisse la porte ouverte à d’autres interprétations. Enfin, les super-hydrures CrHx avec x=1, 1.5 et 2 ont également été synthétisés à partir des éléments et caractérisés par diffraction de rayons X. Si ces hydrures correspondent bien àceux qui avaient été prédits numériquement, l’absence des stoechiométries plus élevées est discutée. Pour mesurer les températures de supraconductivité calculées dans les superhydrures MHx, une cellule à enclumes de diamant miniature permettant une détection de l’effet Meissner a été développée. / Recently, under pressures of several gigapascals, new hydrides have been synthesised with striking properties that may herald technological breakthroughs for hydrogen storage and superconductivity. In this PhD thesis, several superhydrides have been studied experimentally and simulated by DFT. The pressure phase diagrams of LiBH4 and NaBH4, two compounds of interest for hydrogen storage, have been explored thanks to X-ray diffraction and Raman and infrared spectroscopy up to pressures of 300 GPa without observing any decomposition. The insertion of hydrogen inside NaBH4 generates the superhydride NaBH4(H2)0.5. To refine the interpretation of the record superconductivity found in H2S under pressure at 200 K, the superhydride H3S has been synthesised from S and H elements. The results of the diffraction study seem to be at odds with the commonly accepted interpretation that Im-3m H3S is responsible for the superconductivity observed and leaves the door open to other interpretations. Finally, CrHx hydrides with x = 1, 1.5 and 2 have also been synthesised from the elements and characterised by X-ray diffraction. Although these hydrides do correspond to the ones that had been numerically predicted, the absence of the expected higher stoichiometries is discussed. To measure the superconductivity temperatures calculated for MHx hydrides, a miniature diamond anvil cell which allows the detection of a Meissner effect has been developed.

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.

Une alternative aux énergies fossiles comme vecteur énergétique peut se présenter sous la forme de l'hydrogène et de son stockage. Les hydrures métalliques sont une des options possibles pour le stockage de l'hydrogène. Les accumulateurs alcalins Ni-MH présentent une technologie intéressante pour les applications portables et pour le développement des véhicules électriques hybrides (HEV). Afin de répondre à la demande d'augmentation de la capacité massique des accumulateurs, de nouveaux composés intermétalliques hydrurables de type ABx (3etlt;xetlt;5) sont étudiés. Le groupe A est constitué de terres rares partiellement substituées par du magnésium, le groupe B contient du Ni. Après un état de l'art sur ce type de composés, le travail de cette thèse consiste à rechercher les conditions d'élaboration des composés A1-yMgyNix (3etlt;xetlt;5, 0etlt;yetlt;1, A= La, Pr, Nd) ainsi que de les caractériser d'un point de vue structural et physico-chimique (DRX, microsonde électronique, ICP) et de déterminer leurs propriétés vis-à-vis de l'hydrogène (réac tion solide-gaz et électrochimique). Durant ce travail de nouvelles phases ont été découvertes et caractérisées : les phases (A1-yMgy)5Ni19 / One solution to overcome the diminution of fossil fuel resources is to use hydrogen as an energy vector. The main issue concerning hydrogen systems is its storage. NiMH batteries are promising candidates for portable devices and hybrid vehicles (HEV) applications. In order to answer to growing need for higher capacity, new compounds such as ABx (3etlt;xetlt;5) are under investigation. A is a rare earth element that can be partially substituted by Mg. B is Ni. After careful examination of the state of the art on this family of compound, the synthesis routes to prepare A1-yMgyNix (3etlt;xetlt;5, 0etlt;yetlt;1, A= La, Pr, Nd) alloys were investigated and optimized during this PhD work. The structure and chemical composition of the samples were determined using X-ray diffraction, microprobe analysis and ICP. The hydrogen sorption properties (solid-gas and electrochemical reactions) were studied as well. During this work the (A1-yMgy)5Ni19 new phase s have been reported and characterized