WO2020245720A1 - Composition à base de poudre de silicium pour la production d'hydrogène - Google Patents

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WO2020245720A1
WO2020245720A1 PCT/IB2020/055176 IB2020055176W WO2020245720A1 WO 2020245720 A1 WO2020245720 A1 WO 2020245720A1 IB 2020055176 W IB2020055176 W IB 2020055176W WO 2020245720 A1 WO2020245720 A1 WO 2020245720A1
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kit
silicon
water
hydrogen
composition according
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PCT/IB2020/055176
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Fabrice Fourgeot
Shadi MIRHASHEMI HAGHIGHI
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Sunergy
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Publication date
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/08—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents with metals
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    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to the field of hydrogen production.
  • a system combining a fuel cell and hydrogen storage can provide up to 2 to 3 times the specific energy of a Li-ion battery.
  • the density of hydrogen is very low (0.09 g / l) and requires storage in compressed or liquid form for its transport (with the exception of industrial uses of hydrogen which use pipelines). Under 700 bars, a volume of 38 liters is needed to store 1 kg of hydrogen, i.e. 26 kg fh / m 3 . The cost of high pressure storage remains high and the safety instructions with regard to such pressures are restrictive.
  • Aluminum has been extensively studied due to its low stability in the presence of water and a high hydrogen mass / metal mass ratio.
  • the authors of the present invention have developed a technique for using micrometric silicon powders which, associated with appropriate additives and in the presence of water, allows hydrogen to be produced instantaneously, with yields which can be reduced. equal to or greater than 85%, relative to the theoretical amount (1.6 liters of normal hydrogen / g Si).
  • micrometric silicon powders have particles whose size is generally less than or equal to 150 microns and in particular less than or equal to 10 microns, depending on the standardization of the sieves. These silicon particles are naturally covered with oxide, whose thickness can reach 1.6 nm depending on storage conditions, temperature and humidity being determining factors ("Oxidation of Silicon powder in humid air", Thesis June 2012, Anne Marthe Nymark).
  • the purity of silicon powders covers a broad spectrum, from 95% to 99.999%, and the cost of silicon of course depends on its purity, as on its method of obtaining.
  • US Pat. No. 9,751,759 describes a process which consists in mixing nanoscale silicon powders which have been exceeded, according to specific criteria, and an alkaline agent soluble in water which, in contact with the latter, releases heat.
  • micrometric silicon powders thus brought to nanometric size, requires complex equipment, solvents, operations carried out in the absence of air, and a significant expenditure of energy, with a benefit in terms of kinetics. hydrogen production and yield that is not clearly established.
  • US patent application number US 2015/0321911 proposes a composition comprising a silicon powder, an alkaline substance which is a weak acid of an alkali metal (and which is therefore not strictly speaking an alkaline substance, etc.) and a precipitating agent, these compounds being present in defined proportions.
  • the precipitating agent is an oxide and / or a hydroxide of calcium.
  • the international application published under the number WO2018 / 037819 relates to a formulation intended to improve animal health, comprising silicon and optionally a pH adjuster (sodium bicarbonate, citric acid).
  • US patent application number US 2012/199789 relates to a composition based on silica gel and a group I metal (alkalis).
  • the US patent application published under the number US 2015/0266729 discloses a composition comprising non-passivated silicon, a dispersing agent, a dispersant and a colloidal stabilizer.
  • a dispersing agent is cited a carbohydrate (monosaccharide, disaccharide, oligosaccharide and polysaccharide and an alcoholic sugar).
  • the dispersant may be sodium or potassium hydroxide.
  • a colloidal stabilizer a carboxylated or sulfonated organic polymer is cited.
  • the present invention proposes an implementation which differs from the state of the prior art in that it allows a simplification and a reduction in the cost of the preparation processes, through the elimination of the stages of reduction of the silicon powders. nanometric size and / or surface silicon oxide pickling, and avoiding having to carry out any treatment step whatsoever in the absence of oxygen.
  • the present invention thus relates to the preparation of compressed preparations based on micrometric silicon powder carried out without any particular precaution towards with respect to ambient air, these powders being intended for the production of hydrogen by reaction with water.
  • the invention relates to a composition in accordance with the following point 1:
  • composition intended for the production of hydrogen by decomposition of water, this composition being distinguished in that it comprises at least one additive chosen from cellulose derivatives.
  • cellulose additive is chosen from methylcellulose, carboxymethylcellulose and its salts, hydroxypropylcellulose and hydroxypropylmethylcellulose.
  • the invention relates to a kit in accordance with the following point 10:
  • At least one corrosion agent preferably in solid form and soluble in water.
  • the invention relates to a process for producing hydrogen in accordance with the following point 18:
  • the present invention proposes the implementation of compressed preparations of silicon powder whose particle size is between 0 (excluded) and 150 microns (included), and preferably predominantly between 0 (excluded) and 50 microns (included) for better reactivity in the presence of water.
  • the silicon powder is combined on the one hand with a corrosion agent which is an alkaline hydroxide such as potash, soda or ammonia (because ammonia is not a alkali metal hydroxide), and secondly to an agent inhibiting the spontaneous corrosion reaction of silicon by the corrosion agent.
  • the corrosion agent is preferably potash or sodium hydroxide, and is preferably supplied in solid, powder or granular form.
  • the three components are mixed thoroughly before compression to form a compressed preparation (preparation mode A).
  • preparation mode B the corrosion agent used in the form of compressed powder and / or in the form of granules is implemented separately from the compressed preparation of silicon powder
  • the corresponding preparations were carried out using a silicon powder supplied by the company Alfa Aesar, sieved at 40 microns, and granulated potash, which can be lightly ground.
  • the implementation of the present invention does not require any particular treatment of silicon powders or alkali powders or granules: elimination steps of grinding the silicon powders, leading to reduce them to nanometric size, and / or of stripping the surface silicon oxide; no treatment in the absence of oxygen from the air.
  • the alkali hydroxide in particular potash, it is not necessary to dehydrate it.
  • Table 2 shows that the addition of 10% zinc oxide or 10% tin oxide to a compressed mixture of silicon and potash powders, which makes it possible to preserve preparation by simply placing it away from the air after its completion, makes possible its final use for the production of hydrogen with excellent yield.
  • potash or sodium hydroxide leads to identical results, for various concentrations, ranging from 2 to 50% of the overall mass of the composition.
  • oxides of aluminum in the gamma form
  • lead or tin leads to similar results. However, for reasons of toxicity, it may appear preferable to avoid the use of lead.
  • Another option is to separate the silicon powder and the corrosion agent, which eliminates any risk of reaction spontaneous, and makes it possible to simplify the method of preservation of preparations, which can be done in the open air.
  • zinc oxide and quicklime provide improvements in the yield of hydrogen production of the order of 15 to 25%, but which remain very insufficient with regard to the industrial objectives of the process.
  • the mixture of additives (ZnO + CaO) does not provide any particular improvement compared to the sole presence of ZnO or CaO, just as the mixture of additives (CMC + ZnO) does not improve the yield. in hydrogen.
  • Quicklime acts as a thermal "booster" (stimulator).
  • the inventors believe that it is probable that the action of CMC is largely due to its capacity to fix water, by forming a gel which stabilizes the emulsions, a property which will allow the corrosion reaction to continue despite the evolution of hydrogen and the consumption of water (reaction 1). More broadly, the polysaccharides, whether natural or semi-synthetic, fulfill the same function as that of the CMC used in the tests described above as examples of the present invention.
  • hydrocolloids are hydrocolloids, many of which are used in the food industry.
  • polysaccharides such as alginates, carrageenan and gum arabic
  • cellulose derivatives methylcellulose, carboxymethylcellulose and its salts, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, these compounds possibly being used alone or as a mixture.
  • silicon powders in particular sieved at 40 microns, were placed in an oven at controlled temperature at 60 ° C., in an atmosphere saturated with water, for times which varied from 4:30 to 25 days. Under the same conditions as above, this silicon powder stored at 60 ° C. and 100% humidity is used to produce, with CMC powder, a first compressed preparation, stable in air.
  • compositions forming the subject of the present invention are thus demonstrated, in which the silicon powder does not require a treatment for partial or total elimination of the passivation layer, even if this powder is strongly passivated. .
  • the compositions based on silicon powders have been assembled in agglomerated form, which offers great convenience in handling, packaging, and final processing for the production of hydrogen by decomposition. some water.
  • potash alone has been used in agglomerated form, for the same reasons of convenience.
  • these compressed preparations may be found to be disintegrated when they are brought into contact with water for the production of hydrogen, which may in particular result from the characteristics of the mode of introduction of the compounds. reactants in the reactor or the choice of a finely metered feed by injection of powders.

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Abstract

L'invention concerne une composition destinée à la production d'hydrogène par décomposition de l'eau. Cette composition contient une poudre de silicium et elle a 5 ceci de particulier qu'elle comprend au moins un additif choisi parmi les dérivés cellulosiques. L'invention a également trait à un kit destiné à la production d'hydrogène ainsi qu'à un procédé de production d'hydrogène.

Description

Composition à base de poudre de silicium pour la production d' hydrogène
La présente invention concerne le domaine de la production d'hydrogène.
Elle est plus particulièrement relative aux procédés de production d'hydrogène par décomposition de l'eau sous l'action de métaux ou métalloïdes. Arrière-plan de l'invention
Dans le cadre de l'évolution vers une limitation de l'emploi des sources d'énergie fossiles et polluantes, l'hydrogène se présente comme l'une des solutions disponibles, en raison de sa qualité d'énergie décarbonée, dès lors que sa production ne fait pas appel à une utilisation importante d'énergie fossile .
La combustion de l'hydrogène libère 120 MJ/kg soit 2,5 fois celle de l'essence, à 47,3 MJ/kg. Un système combinant une pile à combustible et un stockage d'hydrogène peut fournir jusqu'à 2 à 3 fois l'énergie spécifique d'une batterie Li- ion .
Cependant la masse volumique de l'hydrogène est très faible (0,09 g/l) et impose un stockage sous forme comprimée ou liquide pour son transport (exception étant faite des usages industriels de l'hydrogène qui utilisent des pipe-lines) . Sous 700 bars, un volume de 38 litres est nécessaire pour stocker 1 kg d'hydrogène, soit 26 kg fh/m3. Le coût du stockage à haute pression reste élevé et les consignes de sécurité vis-à-vis de telles pressions sont contraignantes.
Des solutions alternatives ont été proposées pour le stockage de l'hydrogène sous forme "solide" : boranes, hydrures métalliques, métaux, ... L'utilisation de métaux décomposant l'eau sous l'action d'un acide ou d'une base, en produisant de l'hydrogène, est connue depuis longtemps.
L'aluminium a été très étudié en raison d'une faible stabilité en présence d'eau et d'un rapport masse hydrogène / masse métal élevé.
Le silicium partage des caractéristiques assez similaires, mais offre un rapport masse H2 / masse métal plus élevé (14,3% contre 11%) . Par ailleurs, le silicium est beaucoup plus abondant dans la croûte terrestre que l'aluminium, soit 27% contre 8%, et moins coûteux que l'aluminium par kilogramme d'hydrogène produit. Enfin, la silice formée après réaction du silicium avec l'eau, selon la réaction (1), peut être recyclée par carbo-thermie ou par électrolyse en sel fondu, avec la possibilité d'utiliser une électricité décarbonée.
Si + 2H20 2H2 + Si02 (1)
L'usage de silicium pour la production massive d'hydrogène a été mis en œuvre durant la première guerre mondiale par la Royal Air Force. De la soude caustique était utilisée, conduisant à la formation de silicate de sodium sous forme de gel ("water glass") .
Les auteurs de la présente invention ont développé une technique de mise en œuvre de poudres de silicium micrométriques qui, associées à des additifs appropriés et en présence d'eau, permet de produire de l'hydrogène de manière instantanée, avec des rendements qui peuvent être égaux ou supérieurs à 85%, par rapport à la quantité théorique (1,6 litre d'hydrogène normal / g Si) .
Les poudres de silicium micrométriques commercialisées ont des particules dont la taille est généralement inférieure ou égale à 150 microns et en particulier inférieure ou égale à 10 microns, selon la normalisation des tamis. Ces particules de silicium se retrouvent naturellement recouvertes d'oxyde, dont l'épaisseur peut atteindre 1,6 nm selon les conditions de stockage, la température et le degré hygrométrique étant des facteurs déterminants ("Oxidation of Silicon powder in humid air", Thèse Juin 2012, Anne Marthe Nymark) .
La pureté des poudres de silicium couvre un large spectre, de 95% à 99,999%, et le coût du silicium dépend bien sûr de sa pureté, comme de son mode d'obtention.
Dans le cadre de la présente invention, la production d'hydrogène n'est pas affectée par la pureté du silicium. L'utilisation d'agents de corrosion isotropes du silicium est connue depuis le début des années 60. Ce sont des solutions alcalines, en particulier de potasse, dont l'action sur la cinétique de corrosion du silicium dépend de la concentration en alcali et de la température. Plus la concentration et la température sont élevées, plus la vitesse de corrosion est importante, comme le démontrent H. Seidel et al. (Journal of Electrochemical Society, 137, 1990, p. 3626-3622) .
Plusieurs articles et brevets préconisent l'utilisation de nanoparticules de silicium avec l'objectif de produire de l'hydrogène selon la réaction (1), en utilisant une solution faiblement alcaline (pH < 8,6) (Y. Kobayashi et al. Journal of Nanoparticle Research, 2017, 19 :176, p. 1-9), ou en supprimant toute présence d'alcalis (F. Erobogbo et al. Nano Letters, 2013, 13 (2), p. 451-456) .
Toutefois, si la vitesse d'oxydation du silicium augmente lorsque la taille des particules diminue (W.K. Na et al. Materials Science and Engineering, B 163, 2009, pp 82-87), la couche d'oxyde recouvrant les grains ralentit la cinétique de corrosion du silicium. Il faut, pour pallier ce phénomène, broyer le silicium en l'absence d'oxygène et si besoin, effectuer un décapage pour éliminer la couche d'oxyde.
Ces opérations ont un coût. Ainsi, Y. Kobayashi et al. préconisent-ils d'effectuer un décapage à l'aide d'acide fluorhydrique à 5%, suivi d'un rinçage à l'éthanol, et le brevet US 9751759 décrit quant à lui un procédé de broyage du silicium en présence d'un solvant inerte, pour obtenir des particules inférieures à 250 nm, avec une surface passivée réduite.
Sur la base de ces éléments, plusieurs articles et brevets décrivent l'emploi d'une solution alcaline portée à une température supérieure ou égale à 50 °C, ou même supérieure ou égale à 80°C, afin d'initier la réaction de décomposition de l'eau par le silicium (P. Brack et al. International Journal of Energy Research, 2017, 41, p. 220-228 - brevet US 9751759) .
En particulier, le brevet US 9751759 décrit un procédé qui consiste à mélanger des poudres nanométriques de silicium dépassivées, selon des critères spécifiques, et un agent alcalin soluble dans l'eau qui, au contact de celle-ci, libère de la chaleur.
Le broyage de poudres de silicium micrométriques, ainsi amenées à la taille nanométrique, nécessite des équipements complexes, des solvants, des opérations effectuées à l'abri de l'air, et une dépense d'énergie importante, avec un bénéfice en termes de cinétique de production d'hydrogène et de rendement qui n'est pas clairement établi.
La demande de brevet étasunien numéro US 2015/0321911 propose une composition comprenant une poudre de silicium, une substance alcaline qui est un acide faible d'un métal alcalin (et qui n'est donc pas à proprement parler une substance alcaline...) et un agent de précipitation, ces composés étant présent dans des proportions définies. L'agent de précipitation est un oxyde et/ou un hydroxyde de calcium. La demande internationale publiée sous le numéro WO2018/037819 a trait à une formulation destinée à améliorer la santé animale, comprenant du silicium et éventuellement un ajusteur de pH (bicarbonate de sodium, acide citrique) .
La demande de brevet étasunien numéro US 2012/199789 se rapporte à une composition à base de gel de silice et d'un métal du groupe I (alcalins) .
La demande internationale publiée sous le numéro WO2019/158941 concerne un pellet non revêtu comprenant du silicium non passivé et un dispersant qui peut être de 1' hydroxyde de sodium ou de potassium.
Enfin, la demande de brevet étasunien publiée sous le numéro US 2015/0266729 divulgue une composition comprenant du silicium non passivé, un agent dispersant, un dispersant et un stabilisant colloïdal. Comme exemple d'agent dispersant est cité un carbohydrate (monosaccharide, disaccharide, oligosaccharide et polysaccharide et un sucre alcoolique) . Le dispersant peut-être de l' hydroxyde de sodium ou de potassium. Comme exemple de stabilisant colloïdal est cité un polymère organique carboxylé ou sulfoné.
Exposé sommaire de l'invention
La présente invention propose une mise en œuvre qui se distingue de l'état de l'art antérieur en ce qu'elle permet une simplification et une baisse de coût des procédés de préparation, à travers la suppression des étapes de réduction des poudres de silicium à la taille nanométrique et/ou de décapage de l'oxyde de silicium de surface, et en évitant de devoir procéder à quelque étape de traitement que ce soit en l'absence d'oxygène.
La présente invention a ainsi pour objet la préparation de préparations comprimées à base de poudre de silicium micrométriques réalisée sans précaution particulière vis-à- vis de l'air ambiant, ces poudres étant destinées à la production d'hydrogène par réaction avec l'eau.
Plus précisément, l'invention concerne une composition conforme au point 1 suivant :
1.- Composition destinée à la production d'hydrogène par décomposition de l'eau, cette composition se distinguant en ce qu'elle comprend au moins un additif choisi parmi les dérivés cellulosiques.
Des caractéristiques avantageuses de la composition du point 1 précité sont indiquées dans les points 2 à 9 suivants :
2.- Composition selon le point 1, dans laquelle l'additif cellulosique est choisi parmi la méthylcellulose, la carboxyméthylcellulose et ses sels, 1 ' hydroxypropylcellulose et l' hydroxypropylmethylcellulose .
3.- Composition selon le point 1 ou 2, dans laquelle l'additif cellulosique est la carboxyméthylcellulose.
4.- Composition selon l'un des points 1 à 3, comprenant en outre au moins un agent sous forme solide non soluble dans l'eau dont la réaction avec celle-ci est exothermique.
5.- Composition selon le point 4, dans laquelle ledit agent exothermique est au moins un oxyde de métal alcalino-terreux . 6.- Composition selon le point 5, dans laquelle l'oxyde de métal alcalino-terreux est l'oxyde de zinc ou l'oxyde de calcium.
7.- Composition selon le point 6, dans laquelle l'oxyde de métal alcalino-terreux est l'oxyde de calcium.
8.- Composition selon l'un des points 1 à 7, dans laquelle la poudre de silicium est non dépassivée, aucun traitement chimique ou mécanique qui aurait pour objet d'éliminer partiellement ou totalement la couche superficielle d'oxyde de silicium n'ayant été appliqué. 9.- Composition selon l'un des points 1 à 8, dans laquelle la poudre de silicium présente une granulométrie inférieure ou égale à 150 microns.
Selon un autre aspect, l'invention a trait à un kit conforme au point 10 suivant :
10.- Kit destiné à la production d'hydrogène par décomposition de l'eau, ce kit se distinguant en ce qu'il comprend :
- une composition selon l'un des points 1 à 9 ; et
- au moins un agent de corrosion, de préférence sous forme solide et soluble dans l'eau.
Des caractéristiques avantageuses du kit du point 10 précité sont indiquées dans les points 11 à 17 suivants :
11.- Kit selon le point 10, dans lequel l'agent de corrosion comprend de la potasse et/ou de la soude.
12.- Kit selon le point 10 ou 11, dans lequel le pourcentage massique d'additif (s) cellulosique ( s ) par rapport à la masse totale du kit est compris entre 0,5% et 40%.
13.- Kit selon le point 12, dans lequel le pourcentage massique d'additif (s) cellulosique ( s ) par rapport à la masse totale du kit est compris entre 0,5% et 20%.
14.- Kit selon l'un des points 10 à 13 dépendant de l'un des points 10 à 13, dans lequel le pourcentage massique dudit ou desdits agent (s) exothermique ( s ) par rapport à la masse totale du kit est compris entre 0,5% et 40%.
15.- Kit selon le point 14, dans lequel le pourcentage massique dudit ou desdits agent ( s ) exothermique ( s ) par rapport à la masse totale du kit est compris entre 0,5% et 20%.
16.- Kit selon l'un des points 10 à 15, dans lequel le pourcentage massique du ou des agent (s) de corrosion par rapport à la masse totale du kit est compris entre 2% et 50%.
17.- Kit selon le point 16, dans lequel le pourcentage massique du ou des agent (s) de corrosion par rapport à la masse totale du kit est compris entre 5% et 30%. Selon encore un autre aspect, l'invention se rapporte à un procédé de production d'hydrogène conforme au point 18 suivant :
18.- Procédé de production d'hydrogène, ce procédé se distinguant en ce qu'on met un kit selon l'un des points 10 à 17 en présence d'eau, en vue de la production d'hydrogène. Des caractéristiques avantageuses du procédé du point 18 précité sont indiquées dans les points 19 et 20 suivants :
19.- Procédé selon le point 18, dans lequel la quantité d'eau utilisée est de 1 à 10 ml d'eau par g de silicium.
20.- Procédé selon le point 19, dans lequel la quantité d'eau utilisée est de 4 à 8 ml d'eau par g de silicium.
Exposé détaillé de l'invention
La présente invention propose la mise en œuvre de préparations comprimées de poudre de silicium dont la granulométrie est comprise entre 0 (exclu) et 150 microns (inclus), et de préférence majoritairement entre 0 (exclu) et 50 microns (inclus) pour une meilleure réactivité en présence d'eau.
Ces poudres, naturellement passivées à l'air, ne subissent aucun traitement préalable qui viserait à éliminer la couche superficielle d'oxyde de silicium.
Dans le cadre de la présente invention, la poudre de silicium est associée d'une part à un agent de corrosion qui est un hydroxyde alcalin tel que la potasse, la soude ou de l'ammoniaque (car l'ammoniaque n'est pas un hydroxyde alcalin), et d'autre part à un agent inhibant la réaction spontanée de corrosion du silicium par l'agent de corrosion. L'agent de corrosion est de préférence la potasse ou la soude, et est de préférence apporté sous forme solide, en poudre ou granulés. Les trois composants sont mélangés intimement avant compression pour former une préparation comprimée (mode de préparation A) . Sans sortir du cadre de l'invention, et à travers une mise en œuvre différente, l'agent de corrosion utilisé sous forme de poudre comprimée et/ou sous forme de granulés est mis en œuvre séparément de la préparation comprimée de poudre de silicium (mode de préparation B) .
Les essais et résultats décrits dans ce qui suit sont fournis à titre d'exemples de mise en œuvre de l'invention, et permettent d'en mesurer l'intérêt.
Les préparations correspondantes ont été réalisées en utilisant une poudre de silicium fournie par la société Alfa Aesar, tamisée à 40 microns, et de la potasse en granulés, lesquels peuvent être légèrement broyés.
Se distinguant de l'art antérieur en termes de simplification de procédé et par là-même de réduction de coût, la mise en œuvre de la présente invention ne requiert aucun traitement particulier des poudres de silicium ou des poudres ou granulés d'alcalis : suppression des étapes de broyage des poudres de silicium, conduisant à les ramener à la taille nanométrique, et/ou de décapage de l'oxyde de silicium de surface ; pas de traitement en l'absence d'oxygène de l'air.
Quant à l' hydroxyde alcalin, en particulier la potasse, il n'est pas nécessaire de le déshydrater.
Mode A
On constate au vu du Tableau 1, qu'une préparation comprimée réalisée par mélange de silicium et de potasse réagit immédiatement après compression en prenant feu, probablement par un effet combiné de friction des particules entre elles et de l'expulsion de l'eau lors de la compression suivie par la réhydratation exothermique de la potasse.
Divers additifs susceptibles de fixer l'eau ont été testés, selon le mode de préparation A, mais sans succès, comme le montre le Tableau 1 suivant. Tableau 1 (tests comparatifs)
Figure imgf000011_0001
(*) CMC : carboxyméthylcellulose Cherchant à éviter la prise de feu spontanée, les auteurs de la présente invention ont alors montré que l'addition d'oxydes métalliques pouvant se transformer en hydroxydes amphotères solubles tels que ceux de zinc, aluminium, plomb, étain, permettaient de bloquer la corrosion immédiate du silicium dans les conditions décrites ci-dessus, évitant ainsi toute prise de feu, tout en permettant ultérieurement la production d'hydrogène lors d'une mise en contact de la préparation avec 1 ' eau .
A titre d'exemple, le Tableau 2 suivant montre que l'addition de 10% d'oxyde de zinc ou de 10% d'oxyde d'étain à un mélange comprimé de poudres de silicium et de potasse, qui permet de conserver durablement la préparation en la plaçant simplement à l'abri de l'air après sa réalisation, rend possible son utilisation finale pour la production d'hydrogène avec un excellent rendement.
La dissolution de la potasse solide dans l'eau ainsi que la réaction de corrosion du silicium sont exothermiques et favorisent la production d'hydrogène : les températures locales peuvent atteindre 70 à 80°C. Tableau 2
Figure imgf000012_0001
L'utilisation de potasse ou de soude conduit à des résultats identiques, pour des concentrations variées, allant de 2 à 50% de la masse globale de la composition.
L'utilisation d'oxydes d'aluminium (sous la forme gamma), de plomb ou d'étain conduit à des résultats similaires. Toutefois, pour des raisons de toxicité, il peut apparaître préférable d'éviter l'utilisation de plomb.
Des résultats comparables ont été obtenus avec les différents oxydes, pour des concentrations variées, allant de 1 à 40% de la masse globale de la composition, ces concentrations pouvant être adaptées en fonction de l'additif utilisé et de la granulométrie de la poudre de silicium.
II semble que l'on puisse expliquer le blocage de la réaction immédiate du silicium avec la potasse, tel que cela est mis en évidence ci-dessus, par la formation de zincate, aluminate ou stannate de sodium ou de potassium, non totalement solubilisé en raison de la faible quantité d'eau au sein de la pastille, à l'origine du phénomène. Cette couche "passive" serait ensuite dissoute par l'ajout d'eau, permettant ainsi la production d'hydrogène.
Mode B
Une autre option est de séparer la poudre de silicium et l'agent de corrosion, ce qui écarte tout risque de réaction spontanée, et permet de simplifier le mode de conservation des préparations, qui peut se faire à l'air libre.
En associant, pour la production d'hydrogène, d'une part du silicium comprimé et d'autre part de la potasse comprimée ou en granulés, dans un rapport de masses par exemple de 7/3, l'ajout, à titre d'exemple, de 5,1 ml d'eau par gramme de silicium, on obtient un rendement en hydrogène de seulement 39%, mais bien sûr sans qu'il y ait prise de feu spontanée de la préparation comprimée de silicium (Tableau 3) .
Tableau 3
Figure imgf000013_0001
Pour augmenter le rendement de production d'hydrogène, les auteurs de la présente invention ont montré qu' il était nécessaire d'ajouter au silicium un additif en présence d'eau. Ils ont alors testé divers additifs possibles : de l'oxyde de zinc déjà utilisé dans le mode A, de la chaux vive, qui est un oxyde alcalino-terreux dont la réaction avec l'eau est très exothermique (63,7 kJ/mole) , et de la carboxyméthylcellulose (CMC) de sodium, qui fait partie de la famille des hydrocolloïdes , produits hydrophiles qui réduisent la mobilité de l'eau. Ces expérimentations sont illustrées en Tableau 4 suivant.
On constate que l'oxyde de zinc et la chaux vive apportent des améliorations du rendement de production d'hydrogène de l'ordre de 15 à 25%, mais qui restent très insuffisantes au regard des objectifs industriels du procédé.
En revanche, l'utilisation d'un hydrocolloïde tel que la CMC modifie profondément le mécanisme réactionnel et conduit à un rendement très élevé, similaire à celui obtenu avec le Mode A de préparation selon l'invention.
Tableau 4
Figure imgf000014_0001
Afin de vérifier si des combinaisons de ces additifs pouvaient apporter une amélioration à la réaction de corrosion du silicium mis au contact de l'eau, oxyde de zinc et chaux vive (CaO) ont été ajoutés à proportions égales (2,5%) au silicium, de même que la CMC et la chaux vive ou l'oxyde de zinc l'ont été dans une autre série de tests, Tableau 5.
Le mélange d'additifs (ZnO + CaO) n'apporte pas d'amélioration particulière par rapport à la seule présence de ZnO ou de CaO, de même que le mélange d'additifs (CMC + ZnO) ne permet d'améliorer le rendement en hydrogène.
Des mélanges d'additifs (CMC + CaO), comme le montre le Tableau 5 suivant, ne permettent pas non plus d'obtenir une hausse du rendement en hydrogène. Tableau 5
Figure imgf000015_0001
Mais si l'addition combinée de poudres de CaO et de CMC dans la préparation 1 ne présente pas d' avantage en termes de rendement en hydrogène, il a été mis en évidence qu'elle permet d'accélérer la cinétique de production d'hydrogène, comme cela apparaît en Tableau 6, cela en liaison avec la chaleur dégagée par la réaction :
CaO + H20 Ca (OH) 2
La chaux vive joue le rôle d'un "booster" (stimulateur) thermique.
Tableau 6
Figure imgf000015_0002
On constate donc que le pic de vitesse intervient beaucoup plus tôt lors de l'ajout de CaO à la CMC. Des résultats comparables ont été obtenus, pour des concentrations variées, pouvant aller, pour la CMC comme pour l'oxyde de calcium de 0,5 à 40% par rapport à la masse globale des composants mis en œuvre pour la production d'hydrogène par décomposition de l'eau.
Sans vouloir être tenus par une théorie spécifique, les inventeurs pensent qu'il est probable que l'action de la CMC tienne largement à sa capacité à fixer de l'eau, en formant un gel qui stabilise les émulsions, propriété qui permettra à la réaction de corrosion de se poursuivre malgré le dégagement d'hydrogène et la consommation d'eau (réaction 1) . Plus largement, les polysaccharides qu'ils soient naturels ou semi-synthétiques remplissent la même fonction que celle de la CMC utilisée dans les tests décrits ci-dessus à titre d'exemples de la présente invention.
Il s'agit plus précisément d'hydrocolloïdes, dont beaucoup sont utilisés dans l'industrie alimentaire. On peut citer à titre d'exemples non-limitatifs de l'invention, les polysaccharides tels que les alginates, le carraghénane et les gommes arabiques, et les dérivés cellulosiques : méthylcellulose, carboxyméthylcellulose et ses sels, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, ces composés pouvant être utilisés seuls ou en mélange.
Les auteurs de la présente invention ont par ailleurs cherché à s'assurer de l'efficacité des formulations définies dans le cadre de l'invention pour la production d'hydrogène, quel que soit le degré d'oxydation superficielle des grains de silicium.
Pour ce faire, des poudres de silicium, notamment tamisées à 40 microns, ont été placées dans une étuve à température contrôlée à 60°C, dans une atmosphère saturée en eau, pour des durées qui ont varié de 4h30 à 25 jours. Dans les mêmes conditions que précédemment, cette poudre de silicium stockée à 60°C et 100% d'humidité est utilisée pour réaliser, avec de la poudre de CMC, une première préparation comprimée, stable à l'air.
Les auteurs ont montré que le temps de séjour de la poudre de silicium dans cette atmosphère oxydante ne modifie pas significativement le rendement de la production d'hydrogène obtenu dans les mêmes conditions que précédemment, ce que met en évidence le Tableau 7 suivant.
L'utilisation d'une poudre de silicium micrométrique fortement passivée permet donc, associée et comprimée avec de la poudre de CMC, d'obtenir une production d'hydrogène avec un rendement élevé, supérieur à 80%. Tableau 7
Figure imgf000017_0001
On démontre ainsi l'efficacité des formulations de compositions faisant l'objet de la présente invention, au sein desquelles la poudre de silicium ne requiert pas de traitement d'élimination partielle ou totale de la couche de passivation, même si cette poudre est fortement passivée. Dans le cadre de la présente invention, les compositions à base de poudres de silicium ont été assemblées sous forme agglomérée, ce qui offre une grande commodité de manipulation, d'emballage, et de mise en œuvre finale pour la production d'hydrogène par décomposition de l'eau.
De même, dans le cadre de la présente invention, la potasse seule a été utilisée sous forme agglomérée, pour les mêmes raisons de commodité.
Naturellement, et sans sortir du cadre de la présente invention, ces préparations comprimées peuvent se trouver être désagrégées lors de leur mise en contact avec l'eau pour la production d'hydrogène, ce qui peut notamment résulter des caractéristiques du mode d'introduction des réactifs dans le réacteur ou du choix d'une alimentation dosée finement par injection de poudres.
Les pourcentages de silicium, d'alcali soluble et d'additifs fournis dans les mises en œuvre mentionnées ci-dessus à titre d'exemples, ainsi que les masses d'eau par rapport au silicium, ne sont en rien limitatifs de la présente invention. Naturellement, et comme il résulte d'ailleurs largement de ce qui précède, l'invention n'est pas limitée aux exemples de mise en œuvre qui ont été décrits, mais en embrasse toutes les variantes.

Claims

REVENDICATIONS
1.- Composition destinée à la production d'hydrogène par décomposition de l'eau contenant une poudre de silicium et caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un additif choisi parmi les dérivés cellulosiques.
2.- Composition selon la revendication 1, dans laquelle l'additif cellulosique est choisi parmi la méthylcellulose, la carboxyméthylcellulose et ses sels,
1 ' hydroxypropylcellulose et l ' hydroxypropylmethylcellulose .
3.- Composition selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'additif cellulosique est la carboxyméthylcellulose.
4.- Composition selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre au moins un agent sous forme solide non soluble dans l'eau dont la réaction avec celle-ci est exothermique .
5.- Composition selon la revendication 4, dans laquelle ledit agent exothermique est au moins un oxyde de métal alcalino- terreux .
6.- Composition selon la revendication 5, dans laquelle l'oxyde de métal alcalino-terreux est l'oxyde de zinc ou l'oxyde de calcium.
7.- Composition selon la revendication 6, dans laquelle l'oxyde de métal alcalino-terreux est l'oxyde de calcium.
8.- Composition selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle la poudre de silicium est non dépassivée, aucun traitement chimique ou mécanique qui aurait pour objet d'éliminer partiellement ou totalement la couche superficielle d'oxyde de silicium n'ayant été appliqué.
9.- Composition selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle la poudre de silicium présente une granulométrie inférieure ou égale à 150 microns.
10.- Kit destiné à la production d'hydrogène par décomposition de l'eau, caractérisée en ce qu'il comprend :
- une composition selon l'une des revendications 1 à 9 ; et
- au moins un agent de corrosion.
11.- Kit selon la revendication 10, dans lequel l'agent de corrosion comprend de la potasse et/ou de la soude.
12.- Kit selon la revendication 10 ou 11, dans lequel le pourcentage massique d'additif (s) cellulosique ( s ) par rapport à la masse totale du kit est compris entre 0,5% et 40%.
13.- Kit selon la revendication 12, dans lequel le pourcentage massique d'additif (s) cellulosique ( s ) par rapport à la masse totale du kit est compris entre 0,5% et 20%.
14.- Kit selon l'une des revendications 10 à 13 dépendante de l'une des revendications 4 à 6, dans lequel le pourcentage massique dudit ou desdits agent (s) exothermique ( s ) par rapport à la masse totale du kit est compris entre 0,5% et 40%.
15.- Kit selon la revendication 14, dans lequel le pourcentage massique dudit ou desdits agent ( s ) exothermique ( s ) par rapport à la masse totale du kit est compris entre 0,5% et 20%.
16.- Kit selon l'une des revendications 10 à 15, dans lequel le pourcentage massique du ou des agent (s) de corrosion par rapport à la masse totale du kit est compris entre 2% et 50%.
17.- Kit selon la revendication 16, dans lequel le pourcentage massique du ou des agent (s) de corrosion par rapport à la masse totale du kit est compris entre 5% et 30%.
18.- Procédé de production d'hydrogène, caractérisé en ce qu'on met un kit selon l'une des revendications 10 à 17 en présence d'eau, en vue de la production d'hydrogène.
19.- Procédé selon la revendication 18, dans lequel la quantité d'eau utilisée est de 1 à 10 ml d'eau par g de silicium.
20.- Procédé selon la revendication 19, dans lequel la quantité d'eau utilisée est de 4 à 8 ml d'eau par g de silicium.
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