Développement de structures poreuses et de membranes denses à base de pérovskites pour la production de combustibles solaires

Development of perovskites-based porous structures and dense membranes for the production of solar fuels

• Auteur / Autrice : Julien Jouannaux
• Direction : Anne Julbe, Stéphane Abanades
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 18/01/2021
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Miele
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Julbe, Stéphane Abanades, Philippe Miele, Florence Ansart, David Farrusseng
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Ansart, David Farrusseng

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Séparation par membranes

Pérovskites

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Céramiques conductrices ioniques

Pérovskites

Membranes

Cycles thermochimiques

Combustibles solaires

Hydrogène

Ion-Conducting ceramics

Perovskites

Membranes

Thermochemical cycles

Solar fuels

Hydrogen

Résumé

La production d’énergies renouvelables est un enjeu technologique majeur pour remplacer les combustibles fossiles et combler les besoins énergétiques futurs. Dans ce contexte, la dissociation thermochimique solaire de CO2 et H2O, exploitant les propriétés redox de certains oxydes céramiques, est une solution séduisante pour la production de combustibles synthétiques (CO, H2) sans émission de gaz à effet de serre. Ces travaux de thèse sont consacrés au développement de structures poreuses et de membranes denses à base de céramiques conductrices ioniques (pérovskites à base de La1 xSrxMnO3-δ) répondant au cahier des charges du réacteur solaire. Après avoir synthétisé, caractérisé et sélectionné les formulations de pérovskite les plus prometteuses, des protocoles de mise en forme ont été développés pour réaliser des pastilles denses et des couches minces sur des mousses et supports tubulaires en cérine. Les performances de ces matériaux optimisés, testés en réacteur solaire par le laboratoire PROMES-Odeillo, se sont avérées prometteuses pour la production de H2 ou de CO, en cyclage ou de façon isotherme. In fine, une étude couplant expérience et modélisation a permis de prédire les flux de O2 attendus dans le réacteur solaire à membrane.

The production of renewable energies is a major technological challenge to replace fossil fuels and thus fulfill future energetic demands. In this context, the solar thermochemical splitting of CO2 and H2O by exploiting the redox properties of specific ceramic oxides is an attractive option for the production of synthetic fuels (CO and H2) without greenhouse gas emission. This thesis work focused on the development of porous materials and dense membranes composed of ion-conducting ceramics (La1 xSrxMnO3-δ-based perovskites), meeting the solar reactor specifications. After the synthesis, characterization and selection of the most promising perovskite compositions, different shaping protocols were developed in order to form dense pellets and thin films on both ceria foams and tubular supports. The performance of the optimized materials, tested in a solar reactor by the PROMES-Odeillo laboratory, showed promising results for the production of H2 or CO by either thermochemical cycling or isothermal dissociation. In fine, a study involving both experiments and modelling allowed to predict the expected oxygen fluxes in the solar membrane reactor.