Understanding the mechanisms leading to copper migration in supported oxygen carrier for chemical looping combustion

Étude des mécanismes de migration du cuivre utilisé comme porteur d’oxygène dans le procédé de combustion en boucle chimique La combustion en boucle chimique (CLC) est considérée comme une solution à moyen terme pour atténuer les émissions de dioxyde de carbone avec une utilisation continue des combustibles fossiles. Dans le procédé CLC, des matériaux porteurs d'oxygène sont utilisés pour réaliser une combustion indirecte, ce qui permet une séparation inhérente du CO2 avec une faible pénalité énergétique. Le transporteur d'oxygène est soumis à des réactions successives d'oxydoréduction à pression atmosphérique et typiquement à 800°C ou plus. Les conditions de réaction induisent des contraintes thermiques et chimiques conduisant à une dégradation importante de la durée de vie du transporteur d'oxygène. Peu d'études sont disponibles dans la littérature concernant la relation entre les paramètres de réaction tels que la température ou le nombre de cycles et l'évolution microstructurale et chimique du matériau, soulignant ainsi la nécessité de mener une analyse approfondie de la phase microstructurale. Ceci est particulièrement valable pour les transporteurs d'oxygène à base de cuivre qui forment le cœur de cette thèse.L'étude actuelle se penche sur la compréhension du comportement redox des transporteurs d'oxygène oxyde de cuivre-alumine en relation avec les mécanismes de migration des phases de cuivre dans le matériau de support. Ici, pour obtenir une vue d'ensemble à l'échelle nanométrique et à l'échelle du grain (μm) de l'évolution du matériau, une approche multitechnique a été utilisée en utilisant la microscopie électronique à balayage couplée à la spectroscopie à dispersion d'énergie (SEM-EDS), la microscopie à rayons X à transmission à balayage. couplé à la spectroscopie d'absorption des rayons X (STXM-XAS), la diffraction des rayons X in situ (XRD), la spectroscopie d'absorption des rayons X operando (XAS) et la microscopie électronique à transmission environnementale (eTEM)Les caractérisations microscopiques à l'échelle μm ont aidé à comprendre la migration des phases contenant du cuivre dans le grain de support d'alumine, leur mobilité et leur interaction, sans compromettre la distribution spatiale des espèces chimiques. Un aperçu global des espèces chimiques du matériau a été obtenu grâce à la caractérisation XAS qui a également fourni des données sur l'évolution de la composition du matériau en fonction des cycles redox. De plus, l'étude MET in situ a mis en évidence deux aspects importants : 1er en termes de compréhension des matériaux par observation directe des phases et des transformations texturales, et 2ème en termes de défis expérimentaux pour caractériser de tels systèmes à base de cuivre à haute température.Deux mécanismes sont proposés concernant l'évolution du système CuO-Al2O3, liés à la diffusion dépendante de la température des espèces de cuivre, et au rôle du cuivre dans la transition de phase α-Al2O3. La compréhension de la migration du cuivre et de l'influence du support ouvre la voie à la recherche de solutions pour inhiber le frittage de la phase active CuO soit en abaissant la température de fonctionnement soit en limitant la transformation en α-Al2O3