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Mirvat Faraj Zakhour

Full professor
Chemistry - Biochemistry department - Section II - Fanar
Chemistry - Biochemistry chief of department
Speciality: Chemistry
Specific Speciality: Physico-chimie de la matiére condensée

Positions
2001 - present : Professor

Lebanese University

Teaching 5 Taught Courses
(2014-2015) Chim 403 - Materials Chemistry, surface and interface Chemistry

M1 Analytical Sciences

(2014-2015) CPMT 500 - Chemistry of materials

M2 Nanosciences and Functional Materials

(2014-2015) INRG 504 - Methods of inorganic synthesis

M2 Molecular Inorganic Chemistry

(2014-2015) MTAP 500 - Methods of materials synthesis

M2 Physical Chemistry and Materials

(2014-2015) Chim 333 - Inorganic Chemistry II (crystallochemistry)

BS Chemistry

Education
1997 - 2000: PHD

University of Bordeaux
Physical chemistry of condensed materials

1996 - 1997: Master degree

University of Bordeaux
Solid state Chemistry

1992 - 1996: Maitrise

Lebanese university
Chemistry

1990 - 1991: Baccalaureat

College saint Joseph- Miniara - AKKAR
Sciences experimentales

Conferences 22 participations
20th LAAS International Science Conference Advanced Research for Better Tomorrow, Hadath, Liban

Congress
2014-03-27 to 2014-03-29

2nd International Symposium on Inorganic and Environmental Materials, Rennes, France.

Symposium
2013-10-27 to 2013-10-31

2eme journees franco-libanaise , Dunkerque, France

Congress
2013-10-22 to 2013-10-25

14th European conference on solid state chemistry, Talence, France

Conference
2013-07-07 to 2013-07-10

GdR PACS, “Piles A Combustible, Systèmes”, Montpellier, France

Symposium
2013-05-13 to 2013-05-16

Powder Metallurgy 2012, Yokohama, Japan

Conference
2012-10-14 to 2012-10-18

Premières Journées Franco- Libanaises, Lille, France

Congress
2011-10-18 to 2011-10-22

Mediterranean Conference on Innovative Materials and Applications, Beyrouth, Lebanon

Congress
2011-03-03 to 2011-03-05

5ème congrès sur la science des matériaux, beyrouth, Liban

Congress
2006-05-17 to 2006-05-19

4ème congrès sur la science des matériaux, Beyrouth, Liban

Congress
2004-05-13 to 2004-05-14

20th European Crystallographic Meeting (ECM20), Kravow, Poland.

Convention (meeting)
2001-08-07 to 2001-08-10

Solid State Chemistry, SSC2000, Prague, Czech Republic.

Congress
2000-09-05 to 2000-09-08

Aperiodic 2000, Nijmegen, Neederland.

Colloquium
2000-07-04 to 2000-07-08

Deuxième Colloque Franco-Libanais sur les Sciences des Matériaux (CSM2), Beyrouth, Liban.

Congress
2000-05-16 to 2000-05-18

Rencontre Franco-Espagnole sur la Physique et la Chimie de l’Etat Solide, Carcans-Maubuisson, France

Colloquium
2000-03-07 to 2000-03-10

VIIth European Conference On Solid State Chemistry, Madrid, Spain.

Conference
1999-09-21 to 1999-09-24

Journée de l’Ecole Doctorale des Sciences Chimiques, Bordeaux, France.

Conference
1999-06-25 to 1999-06-25

Cahier de checheurs, Bordeaux, France

Conference
1999-06-10 to 1999-06-10

Journées Francophones des Jeunes Physico - Chimistes, JFJPC - 98, Montpellier, France.

Colloquium
1998-07-08 to 1998-07-10

7ème Journée de chimie Grand Sud - Ouest, SFC,Toulouse, France.

Colloquium
1997-11-10 to 1997-11-11

Gordon conference on solid state chemistry, Oxford , U. K

Conference
1997-09-09 to 1997-09-13

Aperiodic 97, Alpe d’Huez, France.

Summer School
1997-08-26 to 1997-08-30

Publications 18 publications
Abdel Salam AWAD; Eliane EL ASMAR; Toufic TAYEH; Fabrice MAUVY; Michel NAKHL; Mirvat ZAKHOUR; Jean-Lois BOBET Effect of carbons (G and CFs), TM (Ni, Fe and Al) and oxides (Nb2O5 and V2O5) on hydrogen generation from ball milled Mg-based hydrolysis reaction for fuel cell Elsevier 2015

The effect of carbons (graphite and carbon fibers), transition metals (TM = Ni, Fe and Al) and oxides (Nb2O5 and V2O5) on Mg-H hydrolysis reaction in aqueous media (3.5 wt. % NaCl)was investigated. All mixtures were prepared by mechanical milling (1, 3 and 5 h). Mg - 10 wt. % G mixtures show the best hydrolysis performance (95 % of theoretical hydrogen generation yield in almost 3 min) in comparison to Mg - oxide and Mg - TM mixtures. In addition to the presence of micro-galvanic cells, particles sizes, MgH2 content, density defects, fractures and cracking have an important influence on the hydrolysis reaction. Synergetic effect of carbons and transition metals has been studied for Mg - 5 wt.% G - 5 wt.% Ni mixture. Activation energies were calculated using Avrami-Erofeev model. An activation energy of 14.34 kJ/mol was found for Mg/G/Ni mixture which demonstrates the best hydrolysis behavior (95 % of theoretical hydrogen generation yield within 2 min). Hydrogen generated from Mg-H hydrolysis reaction was connected directly to a single polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). At 0.15 A, the cell voltage exhibited a stable value of approximately 0.52 V for roughly 35 min.

Toufic Tayeh, Abdel Salam Awad, Michel Nakhl, Jean-Louis Bobet, Mirvat Zakhour and Samir F. Matar Carbon-modified MgH2: Experimental and ab-initio Investigations Z. Naturforsch 2014

The results of experimental and theoretical investigations of carbon-modified MgH2 for improving its sorption performances in hydrogen storage devices are reported. Large changes on its absorption=desorption capacities have been found. The following aspects are considered: size effects where finer particles obtained by energetic ball milling enable easier penetration, catalytic effects of carbon at the surface, and entrance of small quantities of C interstitially into the MgH2 structure. The energies and charge densities as studied by DFT suggest the activation of MgH2 through a decrease of the cohesive energy of the pristine hydride and a reduced ionic charge on hydrogen.

T. Tayeh, A.S. Awad, M. Nakhl, M. Zakhour , J.-F. Silvain, J.-L. Bobet Production of hydrogen from magnesium hydrides hydrolysis Elsevier 2014

Magnesium hydride could be considered as a good candidate for the hydrolysis reaction because it can be produced at a relatively low cost. However, this reaction is incomplete and very slow because of the formation of a magnesium hydroxide layer on the surface of MgH2 particles. In order to overcome this problem, various treatments such as ball milling with or w/o additives, addition of acids, ultrasounds and increase of temperature, have been tried. Different characterization methods such as XRD, BET, particle size, SEM, etc. have been used to explain the effects of the treatments cited above on the improvement of the kinetics and the yield of the MgH2 hydrolysis reaction.

Toufic Tayeh, Joel Douin, Stéphane Jouannigot, Mirvat Zakhour, Michel Nakhl, Jean-François Silvain, and Jean-Louis Bobet Hardness and Young's modulus behavior of Al composites reinforced by nanometric TiB2 elaborated by mechanosynthesis Elsevier 2014

Different milling conditions have been tried to produce nanoparticles of TiB2 to be used as reinforcement in Al matrix composite materials. The milling of TiB2 compounds leads to a decrease of both the crystallite size and the particle size. Moreover, we demonstrate that the use of optimized conditions with a vibratory miller allows - in a short period of time - the direct synthesis of nanoparticles of TiB2 starting from the elemental powders (Ti and B). Then TiB2 reinforced Al composite was fabricated using a simple powder metallurgy process followed by free sintering under controlled atmosphere. The influence of (i) the nanometric TiB2 particles grain size and (ii) their volume fraction on the hardness and Young's modulus, measured from nanoindentation tests, has been analyzed.

A.S. Awad, T. Tayeh, M. Nakhl, M. Zakhour, B. Ourane, M. Le Troëdec, J.-L. Bobet Effect of carbon type (graphite, CFs and diamond) on the hydrogen desorption of Mg–C powder mixtures under microwave irradiation Elsevier 2014

Binary MgH2-x wt% C mixtures (x = 0, 2, 5 and 10 wt% for carbon fibers (CFs), 10 wt% for graphite (G) and diamond (D)) were prepared by hand mixing and by ball milling (5 h) for MgH2-10 wt% CFs. The aims of the work were: - to investigate the dehydriding reaction of MgH2 catalyzed by carbon under microwave irradiation; - to assess the effect of presence of different carbon type and content on the desorption reaction; - to evaluate the influence microwave power on the rate of hydrogen release; to study the influence of milling process on the dehydrogenation time. The amount of hydride and Mg phases (e.g. hydrogen content) was estimated from XRD pattern matching (Eva and Fullprof). The morphology of the powders and the particle size distribution were observed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and laser granulometry respectively. Carbon distribution in the MgH2 matrix was investigated by electron probe microanalyses. The different carbon type transfer the heat, generated from absorbed microwave irradiation, to the MgH2 matrix which induces the hydrogen release. It was found that the dehydrogenation rate and time were enhanced with rising carbon content, microwave power and with milling time. For the MgH2-10 wt% CFs mixtures, under 1500 W of microwave, more than 90% of conversion MgH2 to Mg phases was obtained after 20 s for hand mixing mixture and after only 10 s for 5 h ball milled one.

S.F. Matar , M. Nakhl b, M. Zakhour Electronic structure and bonding of the hydrides Mg3TH7 (T = Mn, Re) from first principles Elsevier 2012

From pseudo-potentials and all-electrons computations within density functional theory, desorption energies within range of MgH2 and covalent like hydrogenated intermetallic compounds are identified for hydrogen rich Mg3TH7, (T = Mn, Re). The rhenium based compound is found with a lower desorption energy which has been quantified from the analysis of the Bader charges within the {TH6}5- complex anion as related with a decreasingly ionic charge on hydrogen from Mn to Re. The electronic densities of states show insulating compounds in agreement with literature relevant to this class of salt-like hydrides with a larger band gap for the Re compound. From chemical bonding analyses stronger Mn-H bonding versus Re-H is identified in agreement with desorption energies magnitudes favoring Mg3ReH7.

Michel NAKHL, Mirvat ZAKHOUR, Charbel AMINE, Houssam EL-RASSI, Samir F. MATAR Effect of the ball milling conditions, under air, on the preliminary hydriding properties of the mixtures Mg - x wt% Graphite. Role of solvent. Elsevier 2011

The effect of wet milling on the hydriding properties of magnesium based mixture has been investigated. To prepare these mixtures, magnesium was ball milled with different weight percent of graphite (5, 10 and 25), at 300 rpm under air, for various duration using a ball miller apparatus Retsch S100 (R=12). Different solvents have been used such as benzene, heptane, styrene, DMSO. The hydriding properties were studied using a manual Sievert-type apparatus, at different temperatures (25°C, 100°C, 150°C and 200°C). The mixture Mg + 5wt% graphite milled during 6 hours in presence of 5mL heptane has shown the best hydriding properties at 150°C. The improvement of these properties has been related to the dielectric constant of the solvent and to the small size of the particles. The different mixtures have been analysed by means of scanning electron microscopy and laser granulometry.

S. F. Matar, M. Nakhl, A. F. Al Alam, M. Zakhour, N. Ouaini, Ab ignition investigations of the perovskite and K2NiF4 phases in the Elsevier 2011

Deriving the energyevolume equation of state within DFT for CsCaH3 and Cs2CaH4 has allowed predicting significant changes within the ionic behavior of hydrogen. In Cs2CaH4, apical H1 and equatorial H2 are found as less and more ionic respectively as compared to the perovskite hydride. This leads to a larger overall binding both from energy differences and chemical bonding analysis.

L.Kabalan, S. F. Matar, C. Desplanches, J.F. Létard, and M. Zakhour Molecular and all solid DFT studies of the magnetic and chemical bonding properties within KM[Cr(CN)6] (M = V, Ni) complexes Elsevier 2008

A study at both the molecular and extended solid levels in the framework of DFT is carried out for KM[Cr(CN)(6)] (M = V, Ni). From molecular calculations, the exchange parameters J are obtained, pointing to the expected magnetic ground states, i.e., antiferromagnetic for M = V with J = -296.5 cm(-1) and ferromagnetic for M = Ni with J = +40.5 cm(-1). From solid state computations the same ground states and J magnitudes are confirmed from energy differences. Furthermore, an analysis of the site projected density of states and of the chemical bonding is developed in which the cyanide ion linkage is analyzed addressing some isomerism aspects

L.Kabalan, S. F. Matar, M. Zakhour and J.F. Létard Ab initio molecular and solid state studies of FeII spin crossover system Z.Naturfosch 2008

Ab initio computations within the density functional theory are reported for the spin cross-over complex, [Fe(btz)2(NCS)2], where 3d6 FeII is characterized by High Spin (HS t4 2g, e2g ) and Low Spin (LS t6 2g, e0g ) states. Results of infra red and Raman spectra for the iso- lated molecule are complemented for the crystalline solid with a full account of the electronic band structure properties: the density of states assessing the crystal field effects and the chemical bonding as- signing a specific role to the Fe-N interaction within the coordination sphere of FeII

S. F. Matar, A. Houari, M. A. Belkhir and M. Zakhour Covalent magnetism and Invar-like behavior within ternary nitrides : ab initio study Z. Naturforsch 2007

Magnetic properties and bonding analyses of perovskite structure-derived TFe3N (T = Ru, Os) nitrides have been investigated within density functional theory using both pseudo potential and all electron methods. At equilibrium, spin degenerate non-magnetic (NM) and ferromagnetic (FM) calculations of energy versus volume show that the ground state of the two compounds is ferromagnetic. Magnetic moments of Ru/Os and Fe, respectively, being situated at two different crystallographic sites are studied over a wide range of the cubic lattice parameter. The volume expansion indicates that iron atoms show itinerant magnetism while Ru and Os exhibit a localized behavior. Important magnetovolume effects are observed, with saturation of the magnetic moment reached in RuFe3N but not in OsFe3N. The electronic structure is visualized for the different binding characters Fe–N versus Ru/Os–N with the help of electron localization plots. The density of states of the ferromagnetic ground state is interpreted on the basis of a covalent magnetic model which goes beyond the Stoner rigid band model. An Invar-like behavior is predicted for the two nitrides.

S. Matar, E. Bertranhandy, M. Nakhl, M. Zakhour and N.Ouaini Structural Geomimetism : A conceptual Framework for devising new materials from first principles ». Elsevier 2006

We propose an original conceptual framework for the search for new materials based on “structural geomimetism”. Specific properties can be sought such as artificially derived new hard materials as well as mixed anion systems. The results on binary C3N4 and C11N4 on one hand and ternary BC2N systems on the other hand represent the two major parts of this review work. Further we introduce the different approaches to hardness as well as a brief introduction to the methodology of the density functional theory (DFT) and some of its methods. Their use for identifying the optimum structures and their mechanical properties (equation of state, EOS) and for examining electronic structure (density of states, DOS; chemical bonding, COOP; electron localization function, ELF) is extensively illustrated. The spectroscopic properties meant to bring a tool of signature for distinguishing phases in polymorphic samples are provided with ELNES spectra.

M. NAKHL, B. CHEVALIER, M. ZAKHOUR, N. OUAINI et J-L. BOBET Influence du broyage énergétique sur les propriétés structurales et magnétiques des intermétalliques GdNi2 et GdCu2 CNRSL 2005

S. MATAR, M. NAKHL, M. ZAKHOUR et N. OUAINI Etude ab initio de l’effet d’insertion de l’hydrogène sur les propriétés magnétiques et chimiques dans les phases de Laves : Cas de ZrFe2 CNRSL 2005

The electronic and magnetic properties of the cubic Laves phase ZrFe2 and of its hydride ZrFe2H3.5 are studied within the density functional theory (DFT) in its local spin density approximation (LSDA) for the purpose of assessing the interplay between chemical

Perez-Mato J. M., Zakhour-Nakhl M., Darriet J., and Elcoro L. Composite structures beyond a perturbative modulated picture 2001

Commensurate and incommensurate structures, which can be described as composites but do not fit into the usual picture of a composite are briefly reviewed. The modulation is an essential part of these systems and cannot be considered as a perturbation. In many cases, the superspace phason sliding mode does not have a physical meaning.

A. El Abed, S. E. Elqebbaj, M. Zakhour, M. Champeaux, J. M. Perez-Mato and J. Darriet structure of a modulated composite structure with two subsystems : Ba1.1064CoO3 Elsevier 2001

The structure of Ba1.1064CoO3 has been solved in the (3+1)-dimensional formalism. The structure is described as a modulated chain composite with two subsystems, [CoO3] and [Ba], respectively. The superspace group is R-3m(00γ)0s with a = 9.8842(20) Å, c = 2.4785(12) Å, and q = 0.5532(4) c* (Z = 3). A saw-tooth function was used to model both the occupational and displacive modulations. Each atomic saw-tooth function is defined by its center x4 along the fourth dimension, its width (A), and the maximum amplitude of the displacive modulation (δ). The paper describes how, as a first approximation, the columns (CoO3) can be mainly described by a single free parameter, based on the height difference of the trigonal prisms and octahedra that constitute the transition metal chains. As a result, this superspace formalism requires only a small number of variables to be refined, compared to the conventional superstructure description.

M. Zakhour-Nakhl, J. B. Claridge, J. Darriet, F. Weill, H-C. Zur Loye and J. M. Perez-Mato Structure determination of two new incommensurate compounds, Ba1+x(CuxRh1-x)O3 with x = 0.1605 and x = 0.1695, using a general method based on the superspace group approach American chemical society 2000

The single-crystal structures of two incommensurate compounds, Ba1+x[(CuxRh1-x)O3] with x = 0.1605 and x = 0.1695, were solved by a general method using the superspace group approach. A saw-tooth function was used to model both the occupational and displacive modulations. This approach requires very few refineable parameters and leads to low residuals, R = 0.0370 and R = 0.0330 for x = 0.1605 and x = 0.1695, respectively. The idealized structures of these two compounds consist of [(CuxRh1-x)O3]∞ chains containing groups of five face-shared (RhO6) octahedra separated by (CuO6) trigonal prisms. These chains in turn are separated from each other by [Ba]∞ chains. The idealized composition of both phases is Ba7CuRh5O18. Their modulated structures, described in the text, deviate from the ideal composition and structure. The approach used for the structure determinations of these compounds is completely general and can be applied to other modulated composite structures of this series.

M. Zakhour-Nakhl, F. Weill, J. Darriet and J. M. Perez-Mato A new example of a composite composition flexible phase. Structure of Ba1+xA’xB1-xO3 (x = 0.2124, A’ = Ni ; B = 0.51Ni + 0.49Pt) elsevier 2000

ChemInform is a weekly Abstracting Service, delivering concise information at a glance that was extracted from about 100 leading journals. To access a ChemInform Abstract of an article which was published elsewhere, please select a Full Text option. The original article is trackable via the References option. ChemInform is a weekly Abstracting Service, delivering concise information at a glance that was extracted from about 100 leading journals. To access a ChemInform Abstract of an article which was published elsewhere, please select a Full Text option. The original article is trackable via the References option.

Supervision 8 Supervised Students
Synthesis, morphological and optical characterizations of nanoparticles with new complex morphology

Elham Joseph Yammine
Master M2 Thesis: Physical Chemistry of materials in 2015

Production of hydrogen by hydrolysis of magnesium based materials and their hydrides

Laurene Charbel Youssef
Master M2 Thesis: Physical Chemistry of materials in 2015

Optimization of titanium platelets synthesis conditions

Sophie Jean Klaimy
Master M2 Thesis: Physical Chemistry of materials in 2016

Composés à base de magnésium pour le stockage et/ou la production

Toufic TAYEH

Hydrogen is a very important energy carrier. Indeed, it is abundant in the combined state and its combustion, very energetic, is non-polluting. However, the safest storage mode of this explosive gas is in the metal hydride form. Among metals, magnesium is one of the most promising one because its high mass capacity storage (7.6%), low cost and natural abundance. However its kinetics are slow and its hydride MgH2 is very stable and has a poor thermal conductivity. The objective of this thesis is to resolve most of the weaknesses of magnesium by adding carbon fibers as reinforcement using the ball milling process, a way to ensure a good contact between the two, either by tape casting, a technique to help in the fibers’ orientation, for a maximum of thermal conductivity. We were therefore interested in the study of absorption / desorption kinetics, where an improvement was observed after the addition of carbon by grinding. A study of the thermal conductivity was also interesting, and the material prepared by tape casting, as expected, gave a very good result. On the other hand, we performed some hydrolysis’ tests to produce hydrogen. Having the problem of Mg(OH)2 formation on the surface, that blocks the reaction; different parameters were modified (e.g. pH, T°, particle size, U.S.), which showed a positive impact on the hydrogen yield and reaction kinetics. Finally, two severe plastic deformation methods: i) cold rolling and ii) ECAP were applied to the TiH2 and MgH2 samples. Both techniques showed a destabilizing power of hydrides and therefore a decrease in the temperature of dehydrogenation. They even showed different behaviors than the mechanical grinding from microstrain and planes orientation point of view. Keywords : hydrogen, MgH2, carbon fibers, tape casting, hydrolysis, cold rolling, ECAP.

Nouveaux composés à base de magnésium: structure, propriétés de sorption d'hydrogène et propriétés physiques

Abdel Salam AWAD

L’hydrogène est un vecteur d’énergie, renouvelable et ami de l’environnement. Cependant, son stockage constitue un grande défit. Le magnésium est le candidat le plus important avec 7,6 % de capacité de stockage massique. Cependant, sa cinétique est lente et sa température d’absorption et de désorption est élevée. Beaucoup d’efforts ont été exercés pour pallier à ces inconvénients (traitement mécanique, ajout d’additifs, etc….). D’autre part, le TiH2 a reçu une attention assez importante et il est utilisé pour préparer la poudre de titane. Dans la première partie de la thèse, des déshydrurations ultra-rapide et très poussées, ont été réussies, basées sur l’interaction de ces hydrures avec les micro-ondes. Ce phénomène, dans le cas de MgH2 nécessite un absorbeur de radiations, tel que le carbone. Plusieurs techniques de caractérisation, DRX, DSC, granulométrie laser, MEB ont été utilisées. D’un autre côté, l’hydrure ternaire Mg2FeH6 a été obtenu avec un rendement de 95 %, ce qui n’a jamais été atteint. De nanoparticules de magnésium ont été également préparées par réduction d’un précurseur d Mg dans un milieu fluide supercritique, afin de les utiliser avec le lithium comme électrode dans les batteries.

Elaboration de poudres de titanates par mécanosynthèse, caractérisation, mise en forme de céramiques et propriétés électriques

Tawfik AL NABOULSI

Les poudres de titanates (BaTiO3, MgTiO3, CaCu3Ti4O12…) pures et dopées sont des matériaux très intéressants dans le domaine de l’électronique pour la fabrication de condensateurs multicouches, capteurs de pression, etc.… car elles présentent des propriétés attractives (constante diélectrique très élevée, ferroélectricité, piézoélectricité, isolation,…) qui dépendent de la taille de grains, de la pureté de la poudre et de son taux d’agglomération. Pour obtenir des couches diélectriques de titanate, de moins en moins épaisses, il faut utiliser des poudres de plus en plus fines. Dans notre travail, nous avons choisi d’utiliser la mécano-synthèse qui permet pourtant de préparer de poudres très fines ayant une taille nanométrique. Ce procédé amène à un mélange final mono- ou multiphasique dont la taille de grain varie entre 45 et 76 nm, mais le produit final a toujours besoin d’une calcination à 9000C. Une fois dopé le titanate de baryum montre des propriétés électriques plus intéressantes que le titanate de baryum pur. Nous avons choisi de doper le BaTiO3 par le Lanthane (La) car il a montré dans la littérature qu’un dopage au lanthane conduit à des valeurs de permittivité très élevées (106) [1]. En plus, ses propriétés peuvent être aussi amélioré par dopage avec des éléments accepteurs d’électron (Y, Zr,…). Alors, nous allons essayer de combiner ces deux résultats en co-dopant le titanate par La et Zr. Les poudres obtenues sont caractérisés par différentes méthodes physico-chimiques, telles que : diffraction des RX, granulométrie Laser, MEB, RPE, ICP – MS, BET, ATD-ATG... Les céramiques sont ensuite préparées par Frittage Flash ou SPS (Spark Plasma Sintering) et leurs propriétés physico-chimiques sont ensuite étudiées.

Compréhension des mécanismes de stockage réversible de l’hydrogène dans les alliages riche en Magnésium.

Eliane EL ASMAR

Ce thème est orienté vers des sujets de pointes qui touchent de très près le stockage sécuritaire de l’hydrogène ainsi que sa production délocalisée. On se propose de se focaliser dans un premier temps sur la recherche de nouveaux intermétalliques susceptibles de stocker l’hydrogène sous forme d’hydrures. Ce mode de stockage de l’hydrogène est considéré comme le plus sécuritaire. Pour cela on recherchera de nouveaux intermétalliques ternaires à base de magnésium par l’exploration de diagrammes ternaires TR-Mg-M (avec M= In, Sn, Co, Ni, Pd, Ag et TR= Gd, Y et Nd) dans la partie la plus riche en Magnésium. Deux démarches seront menées en parallèle: - une recherche systématique des intermétalliques susceptibles de se former dans les systèmes ternaires sélectionnés. - une étude théorique basée sur la thermodynamique qui permettra de prédire la stabilité des hydrures qui pourraient être formés à partir de ces nouveaux intermétalliques riches en magnésium ou à partir de phases ternaires déjà connues elles aussi riches en magnésium. Des essais de stockage de l’hydrogène dans les nouveaux intermétalliques seront menés ainsi que des cycles d’absorption/désorption de l’hydrogène. L’hydrolyse de ces matériaux nous permettra d’obtenir une production délocalisée d’hydrogène que nous couplerons à une pile à combustible pour produire de l’électricité (toujours de manière délocalisée). De plus, l’influence de la microstructure de ces nouveaux intermétalliques sur les propriétés de sorption (et donc de production délocalisée d’hydrogène) sera étudié. En effet, des alliages (et non des composés) amorphes ayant des compositions chimiques similaires ont montré des propriétés de sorption optimales. La présence de terre rare dans nos composés devrait permettre une amorphisation facilitée. Nous souhaitons ainsi contribuer au développement et la compréhension des phénomènes des différentes étapes innovantes de mise en forme de nouveaux matériaux pouvant être utilisées pour le stockage réversible de l’hydrogène (vecteur énergétique propre) Enfin, certains de nos matériaux pourraient avoir des propriétés physiques intéressantes. Ainsi, les propriétés mécaniques (microdureté et nanoindentation), magnétiques (SQUID et balance magnétique), électriques (conductivité) ou encore thermique (diffusivité) pourront être étudiées. L’influence de la microstructure des matériaux (qui pourra être optimisée en utilisant différents moyens de mise en forme tels que l’ECAP, le broyage, le laminage, l’extrusion,…)) sera également étudiée.

Elaboration de matériaux composites à matrice Titane. Utilisation combinée de l'hydruration, le broyage mécanique et les micro-ondes.

Diaa MEREIB
Thèse de doctorat cotutelle entre l'université libanaise et l'université de Bordeaux

Le titane a une excellente résistance à la corrosion et une bonne tenue mécanique à des températures de fonctionnement élevées. Cependant, le coût élevé de traitement et d'usinage est l'un des principaux inconvénients qui empêchent une utilisation plus large. Ceci est dû à sa réactivité avec l'oxygène et d'autres éléments organiques (C, H, N et O) qui peuvent être introduits (en site interstitiel) au cours du traitement et conduisent à une fragilisation du matériau final. Pour réduire le coût, la métallurgie des poudres a été étudiée sous diverses formes pour la production directe des pièces. La métallurgie des poudres permet de densifier (compacter) des poudres fines à haute température par diffusion en phase solide en dessous du point de fusion. Le titane est couramment utilisé dans sa forme alliée Ti-6Al-4V (896 MPa de résistance à rupture et 10% d'allongement (i.e. ASM grade 5)). Pour obtenir ces propriétés, en utilisant une poudre traitée par métallurgie, des poudres, il est nécessaire d’utiliser des méthodes plus avancées telles que la compression isostatique à chaud (HIP) et le Spark Plasma Sintering. Le frittage est généralement réalisé au-dessus de la transition bêta (environ 900⁰C) afin d'obtenir une microstructure α-β. Afin d’obtenir des poudres fines, il est nécessaire de passer par une étape de broyage. Toutefois, en raison de la ductilité du Titane, l’hydrure de titane (i.e. TiH2) qui est fragile a été sélectionné en tant que matériau de départ. Il faut mentionner que la déshydrogénation de TiH2 lors d'un chauffage dans une atmosphère de vide contrôlé à des températures au-dessous de 500⁰C peut être obtenue. TiH2 peut être formé par l'hydrogénation d’éponge de titane qui a été obtenu à partir d'un processus de réduction, tel que le procédé Krolls. L’éponge de TiH2 est facilement broyée en utilisant un broyeur à billes pour former des poudres à granulométrie contrôlée et avec une forte densité de défaut. L’atmosphère de broyage doit être soigneusement contrôlée afin de prévenir ou de minimiser l'oxydation. L'augmentation de la teneur en oxygène dans le titane conduit à un durcissement. Il convient également de mentionner que la déshydrogénation de la poudre de TiH2 peut être associée à une augmentation de la cinétique de densification, qui est attribuée à la formation de surface active des particules de Ti fraîchement déshydrogéné. L'hydrogène est un stabilisateur de titane bêta et, au cours de la déshydrogénation, la recristallisation se produit à partir de α –Ti vers β-Ti à de faibles quantités d'hydrogène. Cet effet a été utilisé pour réduire la taille des grains de titane en introduisant et en enlevant un atome d'hydrogène lors du frittage de contrôler la recristallisation de Ti pur. En dehors des procédés de métallurgie des poudres classiques, une méthode de frittage améliorée, appelée frittage en phase liquide (Liquid Phase Sintering), permet de faciliter la densification à travers le réarrangement des particules, des forces de capillarité, et la solution re-précipitation (où la masse est réarrangée par l'absorption de la matière solide dans le liquide). Ceci est appelé persistante du frittage où une phase liquide est prise en charge tout au long de frittage. Le frittage réactif se produit si les éléments réagissent pour donner un composé intermétallique. L'aluminium a été étudiée car il provoque un gonflement à cause de la diffusion et de la formation d'intermétalliques formant des pores de Kirkendal. La diffusion qui a lieu entre le titane et l'aluminium liquide entraîne : la formation d’une phase plus riche Al (i.e. TiAl3) ce qui provoque la formation de la porosité (i.e. Kirkendall pores) puis le titane diffuse à travers TiAl3 pour former des phases riches en titane, jusqu'à ce que finalement une homogénéisation vers la formation d’un composé unique se produise. Nous souhaitons étendre notre étude à d’autres éléments qui formeraient avec le titane un eutectique avec un point de fusion plus bas. Plus récemment, nous avons démontré que les micro-ondes permettaient d’obtenir la déshydruration en quelques secondes à température ambiante (ou plus exactement sans apport de chaleur extérieure. De plus quelques travaux démontrent l’intérêt des micro-ondes pour le frittage (procédés FAST pour Field Assisted Sintering Techniques). Ainsi, l’utilisation des micro-ondes pour à la fois réaliser le frittage et dans le même temps désorber l’hydrogène sera au cœur de nos préoccupations dans ce travail. Toutefois, ce sujet présente un risque non négligeable et c’est pourquoi, nous avons prévu d’autres étapes à ce travail de thèse.

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