Thèse soutenue

Catalyseur nanostructuré pour la méthanation du CO2 assistée par plasma

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Auteur / Autrice : Beatrice Musig
Direction : María Elena Gálvez ParrucaMaria Victoria Navarro
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Energétique, génie des procédés
Date : Soutenance le 20/10/2023
Etablissement(s) : Sorbonne université en cotutelle avec Universidad de Zaragoza (Espagne)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
Jury : Président / Présidente : Benjamín Solsona Espriu
Examinateurs / Examinatrices : Lucía García Nieto, Franck Launay, Maria del Carmen Bacariza Rey
Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamín Solsona Espriu, Olivier Guaitella

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Parmi les différents procédés de capture et d'utilisation du carbone, la méthanisation du CO2 connaît une renaissance comme une technologie prometteuse pour le développement du Power-to-gas et en tant que solution de stockage de l'énergie et de l'économie circulaire du carbone. Le domaine de la catalyse plasma, qui considère l'association d'un catalyseur avec un plasma non thermique, a été récemment développé pour stimuler la méthanation du CO2. Les défis de la catalyse assistée par plasma consistent à tirer profit des espèces activées et des électrons créés par le plasma pour obtenir des voies de réaction et des interactions plus favorables avec les sites actifs du catalyseur, ainsi que de la synergie plasma-catalyseur, c'est-à-dire de la modification des propriétés du catalyseur par contact avec le plasma et vice-versa. L'objectif de cette thèse est d'explorer l'effet de la morphologie et des propriétés physicochimiques des catalyseurs Ni/CeO2 nanostructurés sur la synergie plasma-catalyseur et de mettre en évidence les caractéristiques clés du catalyseur qui permettent une méthanisation efficace du CO2 assistée par plasma, afin de progresser dans la conception rationnelle de matériaux adaptés aux applications de la plasma-catalyse. Pour les essais de méthanation du CO2 assistée par plasma, les plasmas froids à décharge de barrière diélectrique (DBD) permettent des températures douces, ainsi qu’un contact direct entre le plasma et le catalyseur dans une configuration de lit fixe. Au même temps ils permettent l’opération sous pression atmosphérique, conditions idéales pour des applications industrielles. Des catalyseurs à base de nickel supportés par des oxydes métalliques à base de Ce ont été proposés dans des publications récentes pour la méthanisation du CO2 assistée par plasma. Le nickel est une solution fiable, car il est actif dans la méthanisation du CO2 et au même temps économiquement rentable. L'oxyde de cérium (CeO2) est un matériau intéressant à utiliser comme support grâce à ses propriétés d'oxydoréduction liées à sa capacité d’échange d'oxygène. Ces propriétés peuvent être ajustées en améliorant la nature non stœchiométrique de la surface de CeO2, soit par dopage, soit, comme dans le cas présent, par modification de la morphologie, ce qui a été rapporté pour l'oxyde de cérium comme pouvant être contrôlé par la méthode de synthèse. Ainsi, les paramètres de la synthèse hydrothermale ont été modifiés, ce qui a permis d’obtenir des nanomatériaux de CeO2 présentant différentes morphologies (polyèdres, nanorods, nanocubes), tailles de cristallites et surfaces actives. Les catalyseurs Ni synthétisés avec ces supports ont été caractérisés par des techniques de pointe afin d'examiner les propriétés physicochimiques les plus pertinentes, par exemple la surface, la réductibilité et l'interaction métal-support, la basicité de la surface et la formation de lacunes dans l'oxygène. En outre, le comportement électrique des catalyseurs a été évalué en mettant l'accent sur la manière dont les matériaux affectent la décharge du plasma, le transfert de charge et le comportement diélectrique du lit fixe. La technique FTIR operando a été utilisée pour suggérer une voie de réaction possible de la méthanisation du CO2 assistée par plasma sur Ni/CeO2. En conclusion, il a été constaté que les propriétés physicochimiques qui sont pertinentes dans la méthanisation thermique conventionnelle ne sont pas entièrement applicables à la catalyse par plasma, car l'importance d'une faible permittivité diélectrique du catalyseur et d'un mécanisme de transfert de charge est mise en évidence pour un processus de méthanisation efficace sur le plan énergétique. Finalement, un support CeO2 contenant des nanostructures en forme de tige ou d'aiguille permet d'améliorer les défauts de surface, l'interaction avec le Ni et la macroposorité, ce qui semble faciliter la réaction de méthanisation dans le plasma par la voie du formiate.