Membranes céramiques non-oxydes a-SiCxNy:H permsélectives à l’hydrogène
Résumé
Dans la perspective d’une utilisation toujours croissante de l’hydrogène comme ‘énergie verte’, les divers aspects de la production de ce gaz se doivent d’être optimisés. L’une des voies prometteuse pour la purification en continu de l’hydrogène dans les systèmes de production à haute température, correspond à l’extraction in-situ de H2 par des membranes tamis moléculaires permsélectives. Dans cette optique, notre équipe développe des membranes de carbonitrure de silicium amorphe (a-SiCxNy:H) par PECVD [1]. Le choix du matériau est dicté par sa stabilité thermochimique et la méthode de dépôt par PECVD, largement employée en microélectronique ou dans le traitement de surfaces, est bien adaptée à une industrialisation. Les membranes a-SiCxNy:H ont été déposées à partir des deux précurseurs : HMDSN et NH3. Les conditions de dépôts (pressions partielles des précurseurs, puissance électrique du plasma et température du support) ont été ajustées afin d’optimiser les propriétés de transport de gaz des membranes. Dans les conditions optimales de synthèse, la perméance pour l'hélium (espèce modèle de faible diamètre cinétique) et la sélectivité idéale a*(He/N2) dépassent respectivement 10-6 mol.m-2.s-1.Pa-1 et 100 à 400 °C. Par ailleurs, les relations structure-propriétés pour les matériaux considérés ont été explorées. XPS, FTIR et réflectométrie des rayons X ont été utilisées afin de déterminer la composition élémentaire des films PECVD. Ces données expérimentales couplées aux outils de la simulation numérique ont permis de modéliser les matériaux par des ‘réseaux continus aléatoires’ (CRN, Continuous Random Network) et ainsi de proposer une description 3D de leurs structures moléculaires. La microporosité ainsi décrite rend compte des propriétés de transport de gaz (He, N2) à travers les membranes [2]. Ce travail a été partiellement financé dans la cadre du projet FUI-MISHY coordonné par Air Liquide et financé pour l’IEM par Oséo Innovation et la région Languedoc-Roussillon. Les auteurs remercient également D. Cot et A. Van der Lee pour les analyses MEB et RRX. [1] W. Kafrouni, V. Rouessac, A. Julbe, J. Durand, J. Membr. Sci. 329 (2009) 130-137. [2] R. Coustel, M. Haacké, V. Rouessac, J. Durand, M. Drobek, A. Julbe, Microporous Mesoporous Mat. 191 (2014) 97-102.