Vers une meilleure compréhension du stockage de l'Hydrogène dans les clathrate hydrates : analyse de leur dynamique par simulation de dynamique moléculaire et par diffusion quasi élastique de neurtrons

La disparition attendue des combustibles fossiles dans un avenir proche est l'un des grands défis de ce siècle auquel nous devons faire face. Pour cela, il serait judicieux de transférer l’énergie primaire utilisée aujourd'hui en énergies renouvelables. Le secteur des transports est l'un des plus concernés par cette problématique. Une application dans ce secteur nécessite de nombreux travaux de recherche et c'est dans ce contexte que le stockage de l'hydrogène à l'intérieur des clathrate hydrates a été entrepris au cours de mon programme de recherche doctoral. Cette étude avait pour objectif d’étudier les interactions hôte-invité (dynamique) dans les clathrates hydrates et s’est étendue de la synthèse de clathrates hydrates jusque l’insertion de l'hydrogène en leur sein. Cette étude a été faite à la fois d’un point de vue expérimental et théorique : des simulations de Dynamique Moléculaire (MD) ont été utilisées afin de guider l’interprétation d’expériences de Diffusion incohérente Quasi Elastique des Neutrons (QENS). Dans un premier temps, nous avons développé cette approche méthodologique en étudiant la dynamique du clathrate hydrate de bromométhane, système prototype. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué cette approche multi-technique à l'étude de clathrate hydrates impliqués dans la problématique du stockage d'hydrogène. Pour cela, nous avons étudié le clathrate hydrate de tétrahydrofurane (THF), utilisé comme sous-structure hôte au stockage d'hydrogène. Un dispositif expérimental original a été développé pour la préparation d'un hydrate clathrate binaires H2-THF. L’analyse des expériences de diffusion neutronique effectuée sur ce clathrate binaire a révélé l’existence de mouvements diffusifs localisés des molécules d’hydrogène à l’intérieur des cages.The expected disappearance of fossil fuels in the near future is one of the major challenges of this century which we need to face up and it is necessary to anticipate it. For that, it will be convenient that we have begun the primary energy transfer used today to renewable energy. The sector of transport is one of the most concerned by these renewable energies. An application in this sector would require numerous research works and it is in this context that the hydrogen storage inside the clathrate hydrates has been undertaken during my PhD. This work aimed at investigating the host-guest interactions (dynamics) of clathrate hydrates and ranged from the synthesis of clathrate hydrates to the insertion of hydrogen within them. This study has been done both from experimental and theoretical point of view. Molecular Dynamics (MD) simulations were used to guide the interpretation of incoherent Quasi-Elastic Neutron Scattering (QENS) experiments. At first, we developed a methodology combining MD and QENS to investigate the dynamics of bromomethane clathrate hydrate, a prototypical system. Having validated the multi-technique approach, the methodology has been applied to investigate clathrate hydrates involved in the hydrogen storage problematic. In this issue, the tetrahydrofuran (THF) clathrate hydrate, used as host sub-structure for storing hydrogen, has been studied. An original experimental set-up has been developed for the preparation of a binary H2-THF clathrate hydrate. The analysis of QENS experiments performed on this binary clathrate hydrate revealed the existence of localized translational motion of hydrogen molecules within the clathrate cages

Vers une meilleure compréhension du stockage de l'Hydrogène dans les clathrate hydrates : analyse de leur dynamique par simulation de dynamique moléculaire et par diffusion quasi élastique de neurtrons

La disparition attendue des combustibles fossiles dans un avenir proche est l'un des grands défis de ce siècle auquel nous devons faire face. Pour cela, il serait judicieux de transférer l’énergie primaire utilisée aujourd'hui en énergies renouvelables. Le secteur des transports est l'un des plus concernés par cette problématique. Une application dans ce secteur nécessite de nombreux travaux de recherche et c'est dans ce contexte que le stockage de l'hydrogène à l'intérieur des clathrate hydrates a été entrepris au cours de mon programme de recherche doctoral. Cette étude avait pour objectif d’étudier les interactions hôte-invité (dynamique) dans les clathrates hydrates et s’est étendue de la synthèse de clathrates hydrates jusque l’insertion de l'hydrogène en leur sein. Cette étude a été faite à la fois d’un point de vue expérimental et théorique : des simulations de Dynamique Moléculaire (MD) ont été utilisées afin de guider l’interprétation d’expériences de Diffusion incohérente Quasi Elastique des Neutrons (QENS). Dans un premier temps, nous avons développé cette approche méthodologique en étudiant la dynamique du clathrate hydrate de bromométhane, système prototype. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué cette approche multi-technique à l'étude de clathrate hydrates impliqués dans la problématique du stockage d'hydrogène. Pour cela, nous avons étudié le clathrate hydrate de tétrahydrofurane (THF), utilisé comme sous-structure hôte au stockage d'hydrogène. Un dispositif expérimental original a été développé pour la préparation d'un hydrate clathrate binaires H2-THF. L’analyse des expériences de diffusion neutronique effectuée sur ce clathrate binaire a révélé l’existence de mouvements diffusifs localisés des molécules d’hydrogène à l’intérieur des cages.The expected disappearance of fossil fuels in the near future is one of the major challenges of this century which we need to face up and it is necessary to anticipate it. For that, it will be convenient that we have begun the primary energy transfer used today to renewable energy. The sector of transport is one of the most concerned by these renewable energies. An application in this sector would require numerous research works and it is in this context that the hydrogen storage inside the clathrate hydrates has been undertaken during my PhD. This work aimed at investigating the host-guest interactions (dynamics) of clathrate hydrates and ranged from the synthesis of clathrate hydrates to the insertion of hydrogen within them. This study has been done both from experimental and theoretical point of view. Molecular Dynamics (MD) simulations were used to guide the interpretation of incoherent Quasi-Elastic Neutron Scattering (QENS) experiments. At first, we developed a methodology combining MD and QENS to investigate the dynamics of bromomethane clathrate hydrate, a prototypical system. Having validated the multi-technique approach, the methodology has been applied to investigate clathrate hydrates involved in the hydrogen storage problematic. In this issue, the tetrahydrofuran (THF) clathrate hydrate, used as host sub-structure for storing hydrogen, has been studied. An original experimental set-up has been developed for the preparation of a binary H2-THF clathrate hydrate. The analysis of QENS experiments performed on this binary clathrate hydrate revealed the existence of localized translational motion of hydrogen molecules within the clathrate cages

Vers une meilleure compréhension du stockage de l'Hydrogène dans les clathrate hydrates (analyse de leur dynamique par simulation de dynamique moléculaire et par diffusion quasi élastique de neurtrons)

La disparition attendue des combustibles fossiles dans un avenir proche est l'un des grands défis de ce siècle auquel nous devons faire face. Pour cela, il serait judicieux de transférer l énergie primaire utilisée aujourd'hui en énergies renouvelables. Le secteur des transports est l'un des plus concernés par cette problématique. Une application dans ce secteur nécessite de nombreux travaux de recherche et c'est dans ce contexte que le stockage de l'hydrogène à l'intérieur des clathrate hydrates a été entrepris au cours de mon programme de recherche doctoral. Cette étude avait pour objectif d étudier les interactions hôte-invité (dynamique) dans les clathrates hydrates et s est étendue de la synthèse de clathrates hydrates jusque l insertion de l'hydrogène en leur sein. Cette étude a été faite à la fois d un point de vue expérimental et théorique : des simulations de Dynamique Moléculaire (MD) ont été utilisées afin de guider l interprétation d expériences de Diffusion incohérente Quasi Elastique des Neutrons (QENS). Dans un premier temps, nous avons développé cette approche méthodologique en étudiant la dynamique du clathrate hydrate de bromométhane, système prototype. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué cette approche multi-technique à l'étude de clathrate hydrates impliqués dans la problématique du stockage d'hydrogène. Pour cela, nous avons étudié le clathrate hydrate de tétrahydrofurane (THF), utilisé comme sous-structure hôte au stockage d'hydrogène. Un dispositif expérimental original a été développé pour la préparation d'un hydrate clathrate binaires H2-THF. L analyse des expériences de diffusion neutronique effectuée sur ce clathrate binaire a révélé l existence de mouvements diffusifs localisés des molécules d hydrogène à l intérieur des cages.The expected disappearance of fossil fuels in the near future is one of the major challenges of this century which we need to face up and it is necessary to anticipate it. For that, it will be convenient that we have begun the primary energy transfer used today to renewable energy. The sector of transport is one of the most concerned by these renewable energies. An application in this sector would require numerous research works and it is in this context that the hydrogen storage inside the clathrate hydrates has been undertaken during my PhD. This work aimed at investigating the host-guest interactions (dynamics) of clathrate hydrates and ranged from the synthesis of clathrate hydrates to the insertion of hydrogen within them. This study has been done both from experimental and theoretical point of view. Molecular Dynamics (MD) simulations were used to guide the interpretation of incoherent Quasi-Elastic Neutron Scattering (QENS) experiments. At first, we developed a methodology combining MD and QENS to investigate the dynamics of bromomethane clathrate hydrate, a prototypical system. Having validated the multi-technique approach, the methodology has been applied to investigate clathrate hydrates involved in the hydrogen storage problematic. In this issue, the tetrahydrofuran (THF) clathrate hydrate, used as host sub-structure for storing hydrogen, has been studied. An original experimental set-up has been developed for the preparation of a binary H2-THF clathrate hydrate. The analysis of QENS experiments performed on this binary clathrate hydrate revealed the existence of localized translational motion of hydrogen molecules within the clathrate cages.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Energy landscape of clathrate hydrates

Clathrate hydrates are nanoporous crystalline materials made of a network of hydrogen-bonded water molecules (forming host cages) that is stabilized by the presence of foreign (generally hydrophobic) guest molecules. The natural existence of large quantities of hydrocarbon hydrates in deep oceans and permafrost is certainly at the origin of numerous applications in the broad areas of energy and environmental sciences and technologies (e.g. gas storage). At a fundamental level, their nanostructuration confers on these materials specific properties (e.g. their “glass-like” thermal conductivity) for which the host-guest interactions play a key role. These interactions occur on broad timescale and thus require the use of multi-technique approach in which neutron scattering brings unvaluable information. This work reviews the dynamical properties of clathrate hydrates, ranging from intramolecular vibrations to Brownian relaxations; it illustrates the contribution of neutron scattering in the understanding of the underlying factors governing chemical-physics properties specific to these nanoporous systems

Modeling the THF clathrate hydrate dynamics by combining molecular dynamics and quasi-elastic neutron scattering

International audienceThe dynamics of the THF molecule encapsulated in the type II clathrate hydrate matches the MD-QENS observation time (typically 0.1–10 ps) between 100 K and 270 K. Spatial and time characteristics of the THF molecule’s dynamics obtained by means of MD simulations are in agreement with those experimentally determined by means of quasielastic neutron scattering. A detailed model of the THF dynamics is then proposed through the calculations of MD-derived properties. Reorientational relaxation has been observed on a timescale of 0.7 ± 0.1 ps at 270 K with activation energy of 3.0 ± 0.3 kJ/mol in addition to a highly damped rotational excitation occurring in the plane of the THF molecule with a period of ca. 2 ps. Moreover, the anisotropic cage energy landscape of the THF clathrate hydrate is revealed through a comprehensive investigation of THF orientational distribution functions, revealing the occurrence of preferred orientation of the THF molecule within the cage