Développement de catalyseurs pour l'hydrogénation du CO2 par voie aérosol and influence d'éléments dopants

Details

Supervisors

Debecker, Damien ; Le Bras, Solène

Faculty

Faculté des bioingénieurs

Degree label

Master [120] : bioingénieur en chimie et bioindustries

Abstract

L’hydrogénation catalytique du dioxyde de carbone en méthane ou méthanol est un procédé permettant le recyclage et la valorisation du CO2, tout en répondant aux besoins de systèmes de stockage d’énergie imposés par les sources renouvelables. L’application du procédé nécessite des catalyseurs performants sous conditions douces. De telles propriétés peuvent être obtenues en utilisant des voies de synthèse innovantes, telles que le procédé sol-gel assisté par aérosol, et peuvent être modifiées en présence d’éléments dopants. Ce travail est divisé en deux parties. La première concerne la réaction de méthanation, la seconde porte sur la synthèse de méthanol à partir de CO2. Dans le cadre de la méthanation du CO2, des catalyseurs de Ru supportés sur TiO2 ont été synthétisés. Des supports mésoporeux d’anatase ont été synthétisés par voie aérosol. Les dopants (Mg, Na ou W) ont été incorporés au support en one pot. Le ruthénium a été déposé sur les supports par imprégnation à sec. Un catalyseur à base de TiO2 commercial (P25) a été synthétisé comme point de comparaison. La reproductibilité de la voie de synthèse aérosol a été analysée par ICP-AES, TEM et SEM. La reproductibilité de l’ajout d’éléments dopants en one-pot s’est révélée dépendante de la nature du sel de précurseur de dopant. Les catalyseurs ont été caractérisés par DRX, XPS, TPR, BET et ont été testés, après réduction in situ, sous conditions douces (de 50°C à 200°C, à pression atmosphérique). Les performances des catalyseurs sont proportionnelles à la disponibilité de la phase active. La présence de dopants diminue les interactions entre le métal et le support. Cela favorise sa restructuration et diminue la disponibilité du ruthénium. Cette influence est la plus marquée pour le dopage au magnésium, suivi du tungstène. Le catalyseur à de base support commercial est le plus performant car sa phase rutile est en interaction forte avec le ruthénium, ce qui optimise sa disponibilité. Dans le cadre de la synthèse de méthanol, les catalyseurs ont été synthétisés par le procédé sol-gel assisté par aérosol. Le cuivre et les dopants (Zn ou Ga) ont été incorporés au support mésoporeux de silice par voie one pot. La fiabilité de cette technique a été étudiée par analyses ICP-AES. La formation d’une phase cristalline de cuivre a été observée par analyses DRX en température. Ces analyses nous ont permis de retenir quatre températures de calcination des catalyseurs (350°C, 550°C, 650°C et 750°C) afin d’évaluer son influence sur les propriétés physico-chimiques (principalement la taille des particules de CuO) et les performances des catalyseurs. Des catalyseurs de Cu imprégné sur support synthétisé par aérosol ont été également préparés pour pouvoir évaluer nos catalyseurs par rapport à des matériaux plus conventionnels. Les catalyseurs ont été caractérisés par BET, SEM, TEM, XPS et TPR et testés après réduction in situ. La température de calcination s’avère être un paramètre influençant les propriétés des catalyseurs à différents niveaux. Le catalyseur dopé au gallium montre les meilleures performances lorsqu’il est calciné à 650°C. L’ajout d’éléments dopants a une influence positive sur les performances catalytiques. Le dopage au zinc résulte en une hausse de la sélectivité en méthanol et du taux de conversion du CO2. Les catalyseurs dopés au gallium et calcinés à 550°C et 650°C sont les plus actifs grâce à une augmentation significative de leur sélectivité. Ce travail met en avant les possibilités offertes par la voie de synthèse aérosol ainsi que le potentiel du dopage des catalyseurs pour l’hydrogénation du CO2.