New nano-oxide catalysts for CO2 hydrogenation reaction

Nouveaux catalyseurs nano-oxydes pour l’hydrogenation du CO2 L’augmentation de la concentration de CO2 dans l'atmosphère, considérée comme l'une des sources anthropiques du réchauffement de la planète, suscite de plus en plus d'inquiétudes et une prise de conscience sociale face au changement climatique. Les stratégies de réduction des émissions de CO2 peuvent être divisées en deux groupes (i) capture et stockage du carbone (CCS) et (ii) capture et utilisation du carbone (CCU). En comparaison avec le CCS, les technologies CCU permettent de convertir le dioxyde de carbone en un produit valorisé. Ainsi, les méthodes CCU traitent le CO2 en tant que matière première et non en tant que polluant. Parmi les processus convertissant le CO2 en un composé valorisé, on trouve la méthanation du dioxyde de carbone. Dans ce processus, le dioxyde de carbone est hydrogéné en méthane à l’aide de l'hydrogène provenant de l’électrolyse de l'eau en utilisant par exemple des excès d'énergie. Il convient de mentionner qu’une installation à l’échelle industrielle existe déjà (jusqu’à 10 MW). La littérature suggère que le nickel est le métal actif le plus approprié dans ce procédé en raison de (i) sa très bonne activité catalytique (comparable aux métaux nobles), (ii) un faible coût et (iii) une grande disponibilité. Dans la littérature, différentes stratégies ont déjà été mises en œuvre afin d'accroître l'activité des catalyseurs à base de Ni lors de la méthanation du CO2. Les plus courants incluent l’utilisation de divers supports, la modification de la teneur en nickel ou l’introduction de promoteurs. De telles stratégies modifient les propriétés physicochimiques telles que l'interaction entre la phase active au nickel et le support, ce qui inhibe le frittage et augmente la capacité d'adsorption du CO2. Ces deux propriétés sont essentielles afin d’obtenir un catalyseur à la fois actif et sélectif pour la méthanation du CO2. L’application d’oxydes mixtes de magnésie et d’alumine permet d’introduire ces propriétés car le MgO possède un caractère basique et est fortement lié au NiO en raison de la formation d’une solution solide de NiO-MgO. Les hydrotalcites semblent être les matériaux les plus prometteurs pour une telle application car NiO, MgO et Al2O3 peuvent être facilement introduits dans ceux-ci. La littérature a confirmé que les hydrotalcites contenant du Ni sont très actifs dans cette réaction. L'objectif de cette thèse était donc d'évaluer les propriétés catalytiques d'oxydes mixtes dérivés d'hydrotalcite contenant du Ni lors de la méthanation du CO2. Comme la revue de littérature a montré qu'il y avait peu d'études sur de tels matériaux pour cette réaction, ces travaux ont servi à combler ces lacunes. Ces travaux peuvent être divisé en quatre parties : (i) évaluation des propriétés catalytiques d’hydrotalcites contenant diverses quantités de nickel dans des couches de type brucite, (ii) évaluation des propriétés catalytiques d’hydrotalcites contenant du nickel activées à l'aide de Fe ou de La, (iii) évaluation de l'effet de la méthode d'introduction de La sur les propriétés catalytiques des Ni-hydrotalcites et (iv) optimisation des catalyseurs et examen de l'effet promoteur de La. Afin de corréler les modifications des propriétés physico-chimiques des matériaux préparés par co-précipitation, les catalyseurs ont été caractérisés par analyse élémentaire (ICP-MS ou XRF), DRX, IRTF, sorption de l’azote à basse température, H2-TPR et CO2-TPD. De plus, les catalyseurs sélectionnés ont été caractérisés par TEM, XANES et XES. Les tests catalytiques ont été effectués dans une plage de températures allant de 250°C à 450°C. Afin d'examiner l'effet de promotion de l'introduction du lanthane, les méthodes XANES et XES dans diverses conditions de réaction ont été mises en œuvre. (...)