Résumé
Le palladium (Pd) est considéré comme un système modèle pour l’étude des mécanismes d’absorption de l’hydrogène. Le comportement disparate de l’absorption d’hydrogène (H) dans les nanoparticules et les matériaux massifs est un sujet crucial pour le développement de systèmes fonctionnels de stockage d’hydrogène.

Les travaux présentés ici et réalisés dans le cadre de cette thèse visent à unir le système PdH et les techniques expérimentales utilisées pour l’étudier, qui s’inspirent à la fois de la physique et de la chimie. Les connaissances et les outils combinés de ces domaines sont utilisés de concert pour approfondir la compréhension de l’absorption d’hydrogène dans les nanoparticules de Pd. Les techniques électrochimiques sont un outil puissant pour induire et étudier l’absorption d’hydrogène dans les nanoparticules de Pd. Elles sont utilisées dans ce travail pour observer la thermodynamique et la cinétique de l’absorption d’hydrogène dans des ensembles de nanoparticules de Pd. L’imagerie par diffraction cohérente de Bragg (BCDI) est une technique robuste basée sur les rayons X qui permet de reconstruire la morphologie 3D et la déformation des nanoparticules individuelles de Pd. L’évolution de ces propriétés est étudiée dans des environnements électrochimiques et d’absorption de gaz in situ.

Le taux d’absorption d’hydrogène dans les nanoparticules de Pd est une caractéristique importante pour le stockage pratique de l’hydrogène à l’état solide. Si la plupart des études portent sur la transition de phase d’hydruration, la cinétique au sein de la phase α, pauvre en hydrogène, reste encore mal connue. À l’aide de la nano-diffraction des rayons X résolue en temps, on observe que la cinétique d’absorption au niveau des nanoparticules de Pd individuelles est plus lent en milieu électrochimique que dans la phase gazeuse. Les mesures chronoampérométriques ont permis d’observer que le courant de réduction transitoire attribué à l’absorption suit la même dépendance temporelle que celle du paramètre de maille pour de petits pas du potentiel de la cellule. L’absorption du deutérium est plus lente que celle de l’hydrogène dans le système électrochimique. De plus, la loi de Sievert sur la solubilité des gaz dans les métaux s’applique aux nanoparticules individuelles de Pd dans la phase α.

Les études BCDI des nanoparticules de Pd montrent l’existence d’une sous-surface riche en hydrogène dans la phase α. L’évolution de l’état de déformation indique que cette couche sous-surfacique est stable à des températures allant jusqu’à 200 °C sans pression externe de H2 . Au-dessus de 400 °C, l’état de déformation est modifié, ce qui indique une possible désorption partielle de cette couche sous-sufacique. Enfin, une nanoparticule de Pd a été suivie dans la phase supercritique à 310 °C et à des pressions allant jusqu’à 45 bars. La déformation et le paramètre de maille de la nanoparticule changent très peu jusqu’à 21 bars de H2 . Une contrainte élevée suivie d’un relaxation du champ des déformations de la nanoparticule sont observés au fil du temps à 23 bars, ce qui se caractérise par une modification importante du paramètre de maille due à l’absorption d’hydrogène. Une deuxième absorption importante est observée à 38 bars, où une déformation importante de la maille se développe dans la nanoparticule. Cette structure de l’isotherme dans la phase supercritique, qui n’avait jamais été observée auparavant, soulève des questions sur la thermodynamique de ces nanoparticules.

Cette recherche a cherché à apporter de nouvelles perspectives sur le système PdH bien connu en utilisant les outils de caractérisation avancés des synchrotrons. L’approche combinée de l’électrochimie et des études par rayons X est une méthode de recherche prometteuse pour approfondir la compréhension de l’absorption dans les métaux afin d’améliorer les matériaux de stockage de l’hydrogène.