Experimental and thermodynamic study of metal-hydrogen systems

Autor: Dottor, Maxime
Přispěvatelé: STAR, ABES, Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12), Université Paris-Est Créteil Val de Marne (UPEC), Dr. Jean-Marc Joubert, Dr. Jean-Claude Crivello, Dottor, Maxime
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris-Est Créteil Val de Marne (UPEC), 2021. Français
Popis: Metal-hydrogen systems offer a large number of applications among which hydrogen storage is the most important. On the other hand, hydrogen can also have detrimental effects in some structural alloys (hydrogen embrittlement). Most of the usage properties such as storage properties (capacity, pressure and temperature of absorption and desorption) are related to the thermodynamic properties of the systems. Experimental investigations on these systems still need to be completed. Moreover, the measurements need to be rationalized by a modeling effort.The modeling method used in this thesis is the Calphad method (Calculation of phase diagrams). Calphad is a semi-empirical and phenomenological method, i.e. the Gibbs energy of each phase is obtained by an optimization step of the experimental and/or theoretical data. This method has been developed to build thermodynamic databases for multi component systems. Then these databases allow the calculation of phase diagrams as well as other thermodynamic properties as a function of composition, pressure, and temperature.This thesis aims at completing the data available in the literature either by experimental measurements of the absorption properties in binary or ternary systems, or by a modeling work. Depending on the system, one or the other approach, but also sometimes both, have been implemented. The systems studied were: - body-centered cubic binary systems, Cr–H and H–Nb, which were fully modeled. The extrapolation using our modeling allowed to predict absorption properties in the Cr−H−Zr ternary system which were verified experimentally. - high pressure (tens of GPa) systems modeled at high pressure such as Cr and Cr–H. - ternary systems based on zirconium, H–Nb–Zr, in the context of the application of these materials as nuclear fuel cladding. - other systems relatively unknown experimentally or thermodynamically for more fundamental studies, the H(D)–Hf system. A new description of this system is proposed by integrating the complete description of two new phases of this phase diagram for which the complete structures have been identified for the first time.The studied and modeled systems allowed to constitute an emerging thermodynamic database centered on the metal-hydrogen systems.
Les systèmes métal-hydrogène offrent un grand nombre d'applications parmi lesquelles le stockage d'hydrogène est la plus importante. En revanche, l’hydrogène peut avoir aussi des effets nuisibles dans certains alliages de structure (fragilisation par l’hydrogène). La plus grande partie des propriétés d'usage comme les propriétés de stockage (capacité, pression et température d'absorption et de désorption) sont liées aux propriétés thermodynamiques des systèmes. Les investigations expérimentales sur ces systèmes ont toujours besoin d'être complétées. D'autre part, les mesures ont besoin d'être rationalisées par un effort de modélisation.La méthode de modélisation employée dans cette thèse est la méthode Calphad (Calculation of phase diagrams). Calphad est une méthode semi-empirique et phénoménologique, c’est-à-dire l’énergie de Gibbs correspondant à chaque phase est obtenue par une étape d’optimisation des données expérimentales et/ou théoriques. Cette méthode a été développée afin de constituer des bases de données thermodynamiques pour des systèmes multi-constitués. Ces bases de données permettent ensuite de calculer des diagrammes de phases ainsi que d’autres grandeurs thermodynamiques en fonction de la composition, de la pression et de la température.Ce mémoire de thèse vise à compléter les données disponibles dans la littérature soit par des mesures expérimentales des propriétés d’absorption dans des systèmes binaires ou ternaires, soit par un travail de modélisation. Selon les systèmes, l’une ou l’autre des approches, mais aussi parfois les deux, ont été mises en oeuvre. Les systèmes étudiés ont été : - des systèmes binaires cubiques centrés, Cr–H et H–Nb, qui ont été entièrement modélisés. L’extrapolation en utilisant notre modélisation a permis de prédire des propriétés d'absorption dans le système ternaire Cr–H–Zr qui ont été vérifiées expérimentalement. - des systèmes modélisés à haute pression (dizaines de GPa) tels que le Cr et le Cr−H. - des systèmes ternaires à base de zirconium, H–Nb–Zr, dans le cadre de l'application de ces matériaux comme gainage du combustible nucléaire. - d'autres systèmes relativement méconnus expérimentalement ou thermodynamiquement dans le cadre d'études plus fondamentales, le système H(D)−Hf. Une nouvelle description de ce système est proposée en intégrant la description complète de deux phases nouvelles de ce diagramme de phases dont les structures complètes ont été identifiées pour la première fois.L’ensemble des systèmes étudiés et modélisés a permis de constituer une amorce de base de données thermodynamique centrée sur les systèmes métal-hydrogène.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: