Stockage de l’hydrogène sous forme de clathrates mixtes en matériaux poreux

Avec l’intérêt grandissant pour l’hydrogène comme source de combustible dans la mobilité de demain, la question du stockage d’hydrogène devient centrale et notamment dans le cas des stockages stationnaires de moyennes dimensions par exemple des stations-services pour véhicules. L’hydrogène, aux conditions ambiantes, est un gaz non toxique qui a la plus petite densité et le coefficient de diffusion le plus grand. Ces propriétés rendent le stockage aux conditions ambiantes très difficile : le stockage par liquéfaction requiert d’être à minima à -240°C, le stockage en milieu poreux par absorption chimique permet d’atteindre des capacités de stockage intéressantes mais rend le déstockage plus couteux énergétiquement, le stockage par adsorption demande de fortes pressions et basses températures ce qui représente également un coût énergétique important. Une autre solution consiste à former des hydrates de gaz aussi appelés clathrates. Ces cristaux sont composés de cages formées de molécules d’eau dans lesquelles sont piégées une ou plusieurs molécules de gaz, ici de l’hydrogène. Dans la littérature [1], les hydrates d’hydrogène dans l’eau sont formés à très haute pression (2000 bar environ). Des travaux menés en 2020 [2] ont montrés que des additifs de type acide alliés à des co-promoteurs favorisent des piégeages avec formation d’hydrates compatibles avec un stockage (70 bar, 0°C). Un autre moyen de surmonter ces limitations est la possibilité d'introduire un confinement par la formation d'hydrates à l'intérieur d'un matériau poreux. En effet, des expériences récentes ont montré la réduction de la pression de formation des hydrates d’hydrogène dans du carbone poreux.[3] Cette thèse propose d’étudier expérimentalement le stockage de l’hydrogène sous forme d’hydrate mixte d’hydrogène et d’additifs dans des milieux poreux. Le premier objectif est de définir les conditions de formation des hydrates d’hydrogène mixtes dans des matériaux poreux, par calorimétrie. Le deuxième objectif est de comparer la capacité de stockage/déstockage de différents milieux poreux, allant du microporeux jusqu’au mésoporeux. La caractérisation des matériaux poreux avant et après formation d’hydrates nous permettra de comprendre l’effet de chimie de surface et/ou l’effet de la porosité afin de proposer un mécanisme réactionnel. La spectroscopie Raman qui sera réalisée à l’ISM sur les meilleurs systèmes, fournira des informations sur les hydrates d’hydrogène à l’échelle micrométrique et sur leur composition. Finalement, cette thèse permettra de proposer un ou plusieurs système(s) additif/matériaux poreux capable de stoker un pourcentage déterminé d’hydrogène dans des conditions définies de pression/température/cyclage.
[1] W.L. Mao et al., Science (80-.) 297 (2002) 2247 LP –2249 .
[2] T. Thuong Nguyen, C. Pétuya, D. Talaga, A. Desmedt, Frontiers in Chemistry, 8, (2020), 550862. 
[3] Mao, W. L. et al. Science 2002, 297, 2247–2249. 7. Anderson, R

Mots clefs: hydrogène, stockage, clathrates, thermodynamique, matériaux poreux
 

• Directeur de thèse    Dr, DESMEDT Arnaud, chercheur, Institut des Sciences Moléculaires (ISM) UMR5255 CNRS
• Ecole doctorale    Ecole Doctorale des Sciences Chimiques (EDSC), 
• Encadrant IFPEN    Dr, BORDES Emilie, ingénieure de recherche, emilie.bordes@ifpen.fr Dr SINQUIN Anne, ingénieure de recherche, anne.sinquin@ifpen.fr 
• Localisation du doctorant    IFPEN, 1 et 4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison, France ISM Bordeaux, 351 Cr de la Libération, 33405 Talence, France
• Durée et date de début    3 ans, début novembre 2023
• Employeur    IFP Energies nouvelles (IFPEN), Rueil-Malmaison, France
• Qualifications    Master en physique/physique chimie/géochimie/génie chimique
• Languages    Bonne maîtrise d'anglais et du français indispensable