Matériaux conducteurs mixtes ioniques et électroniques pour le couplage oxydant du méthane

par Marie Rochoux

Thèse de doctorat en Catalyse

Sous la direction de David Farrusseng et de Yves Schuurman.

Soutenue le 24-10-2014

à Lyon 1 , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) et de Institut de recherches sur la catalyse et l'environnement de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Mélaz Tayakout.

Le jury était composé de Jean-Marc Bassat.

Les rapporteurs étaient Elisabeth Siebert, Henny Bouwmeester.


  • Résumé

    Le couplage oxydant du méthane (OCM) permet la transformation directe du méthane en éthylène (C2). A ce jour, le procédé catalytique n'atteint pas les critères requis de sélectivité et de rendement. La présence d'oxygène gazeux à haute température (T>700°C) favorise l'oxydation totale. L'utilisation d'un réacteur à membrane (RM) dense, composé de matériaux conducteurs ioniques et électroniques limite la présence de O2(g) dans le compartiment de réaction améliorant ainsi la sélectivité en C2. Cette thèse a pour cadre le développement de membranes catalytiques ayant un flux d'oxygène assez élevé pour atteindre une conversion supérieure à 25% et dont le revêtement catalytique entraine une sélectivité en C2 à 80%. Une méthode innovante, basée sur une approche microcinétique, a été développée pour déterminer le flux d'oxygène à travers les membranes à partir de mesures sur les poudres correspondantes (échange isotopique et ATG). Les constantes d'adsorption et de diffusion obtenues sont ensuite intégrées dans une équation de flux simulant la semi-perméabilité. Cette méthodologie, validée sur trois matériaux : Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF), La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.δ et Ba0.95La0.05FeO3-δ, permettra d'accélérer la découverte de nouveaux matériaux conducteurs d'oxygène. Les tests d'OCM ont été réalisés sur une membrane BSCF modifiée en surface par une couche mince catalytique. Deux catalyseurs ont été sélectionnés : Mn/NaWO4 très sélectif et LaSr/CaO très actif. Le rendement en réacteur membranaire est limité à 6%. Une analyse critique a été réalisée afin de concevoir une géométrie de réacteur membranaire optimale pour cette réaction

  • Titre traduit

    Mixed ionic and electronic conducting material for the oxidative coupling of methane


  • Résumé

    The oxidative coupling of methane (OCM) allowed the direct transformation of methane into ethylene (C2). Until now, the catalytic process does not reach the required criteria of selectivity and yield. The presence of gaseous oxygen at high temperature (T>700°C) favors the total oxidation. The use of a dense membrane reaction (MR), made of mixed ionic and electronic materials, limits the gaseous oxygen in the reaction compartment and thus improve the C2 selectivity. The goal of this PhD is to develop catalytic membranes exhibiting a flux high enough to reach a conversion higher than 25% and of which the catalytic coating leads to a C2 selectivity of 80%. An innovative method, based on a microkinetic approach, has been developed to determine the oxygen flux across a membrane from measurements on corresponding powders (isotopic exchange and TGA). The adsorption and diffusion constants obtained are then introduced in the flux equation simulating the semi-permeability. The methodology, validated on three materials: Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF), La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.δ et Ba0.95La0.05FeO3-δ, will allow to accelerate the discovery of new oxygen conducting. The OCM tests have been achieved on BSCF membrane modified by a thin layer of catalyst. Two catalysts have been selected: Mn/NaWO4 highly selective and LaSr/CaO highly active. The yield in membrane reactor cannot overstep 6%. A critical analysis has been achieved in order to design an optimal membrane reactor geometry for this reaction


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