Préparation efficace de catalyseurs pour la méthanisation du CO2 assistée par plasma

Efficient Catalysts preparation for plasma - assisted CO2 methanation

• Auteur / Autrice : Minh Nguyen Quang
• Direction : Arnaud Travert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 02/05/2023
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire catalyse et spectrochimie (Caen ; 1996-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de co-accrédiation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Thibault-Starzyk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlos Manuel Faria de Barros Henriques, Maria Victoria Navarro, Monika Motak, Bogdan Samojeden, Federico Azzolina Jury, Patrick Da Costa
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carlos Manuel Faria de Barros Henriques, Maria Victoria Navarro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rendements

Énergie

Plasmas (gaz ionisés)

Dioxyde de carbone

Dissociation (chimie)

Mots clés libres

Dissociation du CO2

Plasma DBC

Oxyde mixte induit par l'hydrotalcite

Promoteurs Mn-Fe-Co-Cu

Promoteurs Sc-Y-La-Gd

Promoteurs Ca-Ba

Capacité effective

Figures de Lissajous

Corrélation des paramètres physicochimiques-électriques-plasma

Propriétés électriques

CO2 dissociation

DBD Plasma

Hydrotalcite-induced mixed oxide

HiMO

XP-NMA

Mn-Fe-Co-Cu promoters

NMA

Sc-Y-La-Gd promoters

Electrical properties

Ca-Ba promoters

Energy efficiency

Effective capacitance

Lissajous figures

Physicochemical-electrical-plasma parameters correlation

Résumé

Dans le cadre du développement durable, on s'efforce non seulement de réduire les émissions de CO2 et d'autres gaz à effet de serre (GES), mais aussi d'utiliser des sources d'énergie renouvelables plutôt que des combustibles fossiles. Compte tenu de ces conditions préalables, l'une des principales solutions consiste à combiner des molécules à faible contenu énergétique, telles que le CO2, et des molécules à plus haut degré d'énergie, notamment H2, produites grâce à l'utilisation de ressourcesafin de produire des composés à valeur ajoutée ayant une énergie thermodynamique plus élevée.D'un point de vue technologique, la révolution des sciences et des technologies permet d'utiliser le plasma, à savoir le plasma non thermique (PNT), dans les processus chimiques. Ces électrons énergétiques entrent alors en collision avec les molécules de gaz, produisant des espèces excitées, des ions, des radicaux, etc. À des températures modérées, ces espèces interagissent rapidement, ce qui entraîne la formation de nouvelles molécules.La combinaison de ces orientations offre une voie prometteuse connue sous le nom de méthanation du CO2 assistée par plasma (réaction de Sabatier), qui cible le CH4 car il peut être facilement stocké dans le réseau gazier existant ou utilisé comme matière première pour la production de produits chimiques à haute valeur ajoutée.La dissociation du CO2 dans le plasma sera étudiée comme première phase pour comprendre la conversion du CO2. Après la méthanisation du CO2 (phase 2), l'objectif est de trouver un catalyseur efficace capable de fonctionner à la fois en régime thermique et en régime plasma. Cette thèse de doctorat est donc une étude multidisciplinaire.En ce qui concerne la dissociation du CO2, nous présenterons les résultats obtenus dans divers réacteurs DBD cylindriques afin d'étudier l'effet des paramètres de réaction et des topologies de réacteurs sur la séparation globale du CO2 en CO. Les paramètres examinés comprennent la conception des électrodes externes, l'épaisseur de la couche diélectrique, la fréquence, les tensions appliquées, la taille et la forme du catalyseur, le débit total et les concentrations de CO2.Dans la deuxième phase, la première étape consiste à tester des catalyseurs d'oxydes mixtes induits par NiMgAl-hydrotalcite (Ni-HiMO) pour la méthanisation du CO2 parmi l'alumine et le SBA-15. L'activité sera brièvement examinée afin de sélectionner le catalyseur pour les recherches futures.Nous nous concentrerons sur les techniques de synthèse (coprécipitation, imprégnation, hydrolyse de l'urée) du Ni-HiMO pour les tests de méthanation thermique (TM) dans la deuxième étape. Troisièmement, après avoir choisi le Ni-HiMO et la méthode de coprécipitation, nous présenterons une nouvelle approche de la modification du catalyseur en utilisant le surfactant pluronic P123 à différentes concentrations (Ni-HiMO-P123). Cet effort permettra de développer une nouvelle technologie pour modifier les catalyseurs Ni-HiMO en termes de structure, de morphologie et d'amélioration de l'activité sans utiliser un second métal dans la méthanation thermique et plasma (TM et PM).Pour compléter la deuxième phase, les effets promotionnels de 10 promoteurs dans les catalyseurs Ni-HiMO-P123 seront étudiés, y compris les groupes de transition (Mn, Fe, Co, Cu), les terres rares et les éléments lanthanoïdes (Sc, Y, La, Gd), et les éléments alcalins (Ca, Ba). L'ensemble des paramètres physicochimiques, électriques et plasmatiques corrélés aux comportements thermiques et plasmatiques sera examiné. Dans les deux cas, le facteur dominant sera mis en évidence. La synergie entre les catalyseurs et le plasma sera également abordée.Enfin, le mécanisme de réaction sera exploré via des expériences Operando dans des circonstances thermiques et plasma (TO et PO), ainsi que la stabilité des espèces intermédiaires en utilisant des mesures FTIR in-situ.Nous sommes impatients de contribuer à l'évolution vers un avenir plus durable!

In terms of sustainable development, efforts are made not just to reduce CO2 and other greenhouse gas (GHG) emissions but also to employ renewable energy sources rather than fossil fuels. As a result of such prerequisites, one of the primary solutions is considered to be the combination of low energy content molecules, such as CO2, and higher energy degree molecules, including H2, produced through the use of renewable energy resources, to produce added-valued compounds with higher thermodynamic energy.From a technological standpoint, the science and technology revolution enables the use of plasma, namely non-thermal plasma (NTP), in chemical processes. Due to their light mass, given electrical energy in a gas-plasma will preferentially heat electrons (a few eV, a few 10000 K) without heating the entire gas (even at ambient temperature to a maximum of about 1000 K). These energetic electrons will then collide with gas molecules, producing excited species, ions, radicals, and so on. Under moderate temperatures, these species quickly interact, resulting in the formation of new molecules.The combination of these directions offers a promising direction known as plasma-assisted CO2 methanation (Sabatier reaction), which targets CH4 since it can be easily stored in the existing gas network or used as feedstock for the production of highly added-valuable chemicals.CO2 dissociation in plasma will be studied as the first phase toward understanding CO2 conversion. Following CO2 methanation (phase 2) - the goal is to find an efficient catalyst capable of operating both in thermal and plasma regimes. This PhD thesis is, therefore, a multidisciplinary study.In terms of CO2 dissociation, we will present the findings in various cylindrical DBD reactors to investigate the effect of reaction parameters and reactor topologies on overall CO2 splitting into CO. The parameters will be examined, including outer electrode designs (Cu tube, Ag-Cu wire, and Cu screw coil), dielectric layer thickness, frequency, applied voltages, catalyst size and shape, total flowrate, and CO2 concentrations.In the second phase, the first step is to test NiMgAl-hydrotalcite-induced mixed oxides catalysts (Ni-HiMO) for CO2 methanation among alumina and SBA-15. The activity will be briefly examined in order to select the catalyst for future investigation.We will concentrate on the synthesis techniques (coprecipitation, impregnation, urea hydrolysis) of Ni-HiMO for thermal methanation (TM) tests in the second step. The catalyst activation time under thermal conditions is also examined at this step. These data will be utilized to identify the optimal synthesis method and conditions for further studies.Third, after choosing Ni-HiMO and the coprecipitation method, we will present a novel approach to catalyst modification using the surfactant pluronic P123 at different concentrations (Ni-HiMO-P123). This effort will allow for the development of a novel technology to alter Ni-HiMO catalysts in terms of structure, morphology, and activity enhancement without using a second metal in both thermal and plasma methanation (TM and PM).To complete the second phase, the promotional effects of 10 promoters into Ni-HiMO-P123 catalysts will be investigated, including transition group (Mn, Fe, Co, Cu), rare-earth and lanthanoid elements (Sc, Y, La, Gd), and alkaline elements (Ca, Ba). The complete package of physicochemical, electrical, and plasma parameters correlated with thermal and plasma behaviors will be reviewed. In both cases, the prevailing factor will be highlighted. Also covered will be the synergy between catalysts and plasma.Finally, the reaction mechanism will be explored via Operando experiments in thermal and plasma circumstances (TO and PO), as well as the stability of intermediate species using in-situ FTIR measurements.We look forward to serving with the shift toward a more sustainable future!