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Développement de nouveaux composites à base de nanoparticules de fer encapsulées dans les silices mésoporeuses pour le stockage de l’énergie
La substitution des énergies fossiles par des énergies renouvelables est un enjeu crucial pour lutter contre le changement climatique et atteindre les objectifs de décarbonation fixés dans le pacte vert pour l’Europe. Les énergies renouvelables, telles que le solaire, l'éolien ou l'hydraulique, sont abondantes, durables et ne produisent pas de gaz à effet de serre pendant leur utilisation mais leur intermittence et leur localisation géographique nécessitent le recours à des procédés de stockage. Ainsi le stockage de l’énergie présente un des plus importants challenges actuels pour l’humanité.
L’hydrogène est une source de stockage d’énergie ciblée par la Commission Européenne, au travers de sa stratégie pour une production d’hydrogène propre qui s’inscrit dans le cadre du Pacte Vert pour l’Europe. Cependant, le transport de l’hydrogène, et ainsi sa capacité à être un vecteur d’énergie, pose plusieurs défis techniques, sécuritaires et économiques. Les métaux (principalement l’aluminium, le magnésium et le fer) présentent également un fort intérêt en tant que vecteur énergétique. Ils peuvent notamment servir d’intermédiaire pour le stockage chimique d’hydrogène. En effet, dans un environnement contenant de la vapeur d’eau, les métaux réagissent et forment des oxydes ou hydroxydes en libérant de l’hydrogène (Met + H2O à MetO + H2). Les métaux possédant une bonne densité énergétique massique (de 10 à 30 MJ/kg) et volumique (de 40 à 80 MJ/L), leur transport est facilité par comparaison au transport de l’hydrogène.
Ce sujet de thèse s’inscrit dans ce contexte général. Il a pour objectif d’étudier la faisabilité de développer des composites à base de nanoparticules de fer encapsulées dans les silices mésoporeuses, présentant des rendements élevés en production d’hydrogène lors de leur oxydation à basse température et économe en énergie lors de la phase de régénération du métal. Cette approche est totalement originale et complémentaire aux études menées actuellement pour des particules de fer isolées [1] ainsi que pour la combustion de fer dans des brûleurs turbulents [2]. La synthèse des silices mésoporeuses organisées de type KIT-6, SBA-15… avec une taille de pores variée et un volume poreux élevé et leur imprégnation pour obtenir des nanoparticules d'oxydes de fer constituera la première étape de ce travail. L’imprégnation sera optimisée afin d’atteindre des taux de charge en fer élevé pour maximiser la densité d’hydrogène stocké. La réactivité des composites obtenues sera ensuite étudiée en lit fluidisé sous flux gazeux à des températures variables, comprises entre 100°C et 600°C. Diverses caractérisations des matériaux par des méthodes physicochimiques, texturales et structurales seront réalisées.
La thèse sera menée conjointement à l'Institut de Science des Matériaux de Mulhouse (IS2M) et au Laboratoire Gestion des Risques et Environnement (LGRE)
- Formation ingénieur ou master dans le domaine des matériaux, de l’énergétique ou la chimie-physique
- Curiosité scientifique affirmée
- Esprit d’analyse et de synthèse, capacité d’expression et d’argumentation écrite et orale
- Autonome et sens du travail en équipe
- Rigoureux et organisé (respect des délais)
Le Laboratoire Gestion des Risques et Environnement (LGRE) est une unité de recherche de l'Université de Haute-Alsace, située à Mulhouse, dont les activités sont centrées sur les enjeux énergétiques et environnementaux actuels. Les recherches menées au LGRE portent sur les sources et/ou vecteurs énergétiques décarbonés et le développement de procédés énergétiques innovants et performants. Depuis 2015, le LGRE développe des travaux de recherche sur le thème de la combustion des métaux pour la production d'énergie.