Développement de matériaux pour le couplage de la valorisation de CO2 avec l'électrolyse haute température (HTE) pour la production d'éthylène

Development of materials for coupling CO2 valorization with high-temperature electrolysis (HTE) for ethylene production

• Auteur / Autrice : Morvan Guillon
• Direction : Anne-Cécile Roger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 04/09/2024
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Bion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Champon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Granger, Yves Schuurman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyse hétérogène

Synthèse (chimie)

Oxydes mixtes

Méthane

Couplage oxydant

Éthylène

Mots clés libres

Production d’éthylène décarboné

Couplage oxydant du méthane

Oxydes mixtes

Synthèses

Caractérisations

Performances catalytiques

Carbon-free ethylene production

Oxidative coupling of methane

Mixed oxides

Syntheses

Characterizations

Catalytic performance

Résumé

La production de l’éthylène est un enjeu énergétique majeur du XXIème siècle. La réaction du couplage oxydant du méthane permet la production d’éthylène à partir de méthane et d’oxygène. Cette réaction présente ainsi un intérêt particulier puisqu’elle permet la production d’éthylène en s’affranchissant d’une dépendance aux matières premières pétrolières, principalement utilisées pour la production de l’éthylène. Dans cette étude l’objectif est de développer un matériau en vue d’une insertion à l’anode d’un électrolyseur haute température pour produire de l’éthylène décarboné à partir de CO2. Après une étape de réduction à la cathode de ce même électrolyseur, du méthane peut être produit avec la technologie et power-to-methane. Le méthane est ainsi injecté à l’anode de l’électrolyseur pour effectuer la réaction du couplage oxydant du méthane. Les matériaux développés dans ce travail doivent donc répondre aux caractéristiques associées à une bonne anode et doivent agir comme catalyseur de la réaction du couplage oxydant du méthane. Ainsi la synthèse et la caractérisation d’oxydes mixtes ont été réalisées. L’activité des catalyseurs a été évaluée à l’échelle du laboratoire en variant les paramètres opératoires pour déterminer les conditions optimales pour obtenir le meilleur rendement en éthylène. Des optimisations de synthèses, avec des ajustements des compositions et des dopages, ont été réalisées pour obtenir la meilleure performance catalytique dans le cadre du couplage oxydant du méthane.

Ethylene production is a major energy challenge for the 21st century. The oxidative coupling of methane reaction enables ethylene to be produced from methane and oxygen. This reaction is therefore of particular interest as it enables ethylene production without dependence on petroleum feedstocks, which are mainly used for ethylene production. The aim of this study is to develop a material for insertion in the anode of a high-temperature electrolyzer to produce decarbonated ethylene from CO2. After a reduction step at the cathode of the same electrolyzer, methane can be produced using power-to-methane technology. Methane is injected at the anode of the electrolyzer to carry out the oxidative coupling of methane reaction. The materials developed in this work must therefore meet the characteristics associated with a good anode and act as a catalyst for the oxidative coupling of methane reaction. Mixed oxides were synthesized and characterized. The activity of the catalysts was evaluated on a laboratory scale, varying the operating parameters to determine the optimum conditions for delivering the best ethylene yield.