Etude des phénomènes de diffusion à l'état solide impliqués dans les réactions hétérogènes gaz-solide : application à la sulfuration de l'oxyde de zinc

Solid-state diffusion phenomena in heterogeneous gas-solid reactions : Application to oxides sulfidation

• Auteur / Autrice : Kévin Perrin
• Direction : Sébastien Chevalier, Olivier Politano, Javier Pérez-Pellitero, David Chiche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/04/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Florence Ansart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Mottet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Favergeon, Stéphane Mathieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Défauts ponctuels

Dynamique moléculaire

Oxyde de zinc

Mots clés libres

ZnO

Diffusion à l'état solide

Défauts ponctuels

Dynamique Moléculaire

ZnO

Solid-State diffusion

Point defects

Molecular dynamics

Résumé

Les phénomènes de transformation de phases avec interface réactionnelle mobile interviennent dans une grande variété de réactions chimiques et d’applications. Les réactions de sulfuration d'oxydes métalliques mènent par exemple à la formation de phases sulfures dans des applications concernant la purification de gaz ou la préparation de catalyseurs. Ces réactions impliquent entre autres des phénomènes de diffusion des espèces réactives à l’état solide (sous forme atomique ou ionique) à travers la couche de produit formée lors de la réaction (phase oxyde, sulfure ou métal). Dans de nombreux cas, les phénomènes de diffusion à l’état solide ont un impact direct sur les mécanismes ainsi que sur la cinétique globale des réactions, et déterminent le sens de croissance des phases formées. Cette thèse a pour objectif d’apporter une meilleure compréhension des phénomènes de diffusion d’espèces réactives à l’état solide impliqués dans les réactions hétérogènes gaz-solide. En particulier, cette étude porte sur le cas de la réaction de sulfuration de l’oxyde de zinc par H2S menant à la formation de ZnS. L’influence de la structure cristalline, de la présence d’impuretés et/ou de défauts ponctuels natifs ou extrinsèques et l’impact des phénomènes de diffusion sur la cinétique réactionnelle globale ont été étudiés. La stratégie de recherche proposée comporte un volet expérimental via la synthèse et la caractérisation de matériaux dopés, et l’étude de la cinétique de la réaction de sulfuration par thermogravimétrie sous atmosphère réactive. Le travail expérimental a été complété par une approche théorique par dynamique moléculaire permettant la détermination de coefficients de diffusion dans différents systèmes (ZnO et ZnS), mono/polycristallins, et avec/sans présence de dopants. La détermination des processus de diffusion et des paramètres qui la gouvernent permet d’aboutir, in fine, à une meilleure compréhension des réactions hétérogènes solide-gaz.

Phase transition phenomena involving the mobility of the reaction interface are involved in a wide variety of chemical reactions and applications. A good example is the sulfidation reaction experienced by the metal oxide-based materials used in the framework of gas purification or catalysts preparation applications. These reactions involve solid-state diffusion phenomena of the reactive species (atomic or ionic form) through the layer of product formed during the reaction (oxide, sulfide, or metal phase). In many cases, solid-state diffusion has a direct impact on the reaction mechanisms while determining the growth direction of the formed phases, as well as the overall kinetics of the reactions. This PhD-thesis work aims at providing a better understanding of the solid-state diffusion phenomena of reactive species involved in gas-solid heterogeneous reactions. In particular, the study is focused on zinc oxide sulfidation reaction with H2S, in which the influence of the crystal structure of solids, the presence of impurities and / or native or extrinsic point defects, and the impact of diffusion phenomena on the overall reaction kinetics were evaluated. The research strategy relies on a first experimental approach via the synthesis and characterizations of doped materials, followed by the determination of their sulfidation reaction kinetics by thermogravimetry under reactive atmosphere. The experimental work was combined to a theoretical approach based on Molecular Dynamics, which allows the determination of diffusion coefficients in different systems (ZnO and ZnS), mono/polycrystalline, and with/without presence of doping elements. Knowledge of the diffusion processes and of key parameters involved leads to a better understanding of solid-gas heterogeneous reactions.