Des agroressources vers des catalyseurs Ni/Ru supportés sur SiC pour la production de méthane et la valorisation de biogaz. – CASiBIO

Le projet CASiBIO, vise à élaborer des céramiques poreuses catalytiques Ni(Ru)/SiCxOy pour les réactions de reformage à sec du méthane et de méthanation du CO2, deux réactions incontournables dans le domaine de l’énergie pour lesquels la stabilité du catalyseur est la principale problématique.
Le procédé Polymer Impregnation Pyrolysis (PIP) est sélectionné pour synthétiser ces objets car il permet un contrôle aisé de la composition chimique (du carbure SiC, à l’oxycarbure, SiCxOy) et de la mise en forme de la céramique. Pour générer la porosité au sein du matériau, des préformes à base de fibres lignocellulosiques (FL) seront utilisées. Ces préformes sont sélectionnées pour leur nature biosourcée, leur abondance, leur biodégradabilité, et la facilité de leur modification chimique. Nous utiliserons de la pâte à papier du procédé Kraft, composée à environ 85% de cellulose ce qui permet de s’inscrire dans une démarche scientifique éco-responsable tant par le choix des précurseurs que par le procédé de mise en forme des objets. En surface de ces objets, la composition du support SiCxOy sera modulée pour optimiser le transfert thermique lors des réactions catalytiques (réaction fortement exothermique pour la méthanation ; conduite à haute température pour le reformage).
Le projet propose d’élucider des mécanismes d’interaction FL - polymère précéramique, et leur impact sur les propriétés finales des céramiques. L’effet de la méthode d’incorporation des éléments catalytiques, Ni(Ru) et dopants (A = ZrO2, CeO2, MgO, TiO2, Al2O3), sera également étudié. Dans cette optique, une combinaison cohérente et complémentaire de caractérisations structurales et microstructurales (MEB-FIB, EELS-EDS-STEM, Tomographie X, DRX) et d'investigations physico-chimiques (rhéologie des précurseurs, spectroscopies IR, RMN, XPS, porosimétrie) est proposée. La modélisation géométrique des objets élaborés, sur la base de caractérisations microstructurales fines permettra la visualisation 3D des simulations de fluide réalisées afin d’évaluer les transferts de masse. Après optimisation (support et phases actives), les catalyseurs Ni(Ru)-A/SiCxOy seront testés pour les réactions de méthanation et de reformage du méthane. L’évaluation des performances catalytiques sera réalisée en conditions proches des conditions réelles de fonctionnement, en déterminant l’impact de poisons récurrents (H2S, NH3) et du temps en réaction sur les performances des céramiques catalytiques. Ces jeux de données permettront d’établir les relations microstructure/propriétés catalytiques de ces matériaux complexes.
Ce projet pluridisciplinaire associe 4 laboratoires de recherche aux compétences complémentaires : (i) l’Institut de Recherche sur les CERamiques (IRCER) pour l’élaboration et la caractérisation des céramiques poreuses à partir des FL fonctionnalisées ; (ii) XLIM, pour la modélisation et la visualisation des objets ainsi que pour la réalisation des simulations informatiques ; (iii) l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS) pour l’optimisation de la formulation catalytique (composition, dispersion) ; (iv) l’Unité de Chimie Environnementale et Interactions sur le Vivant (UCEIV) pour l’évaluation des propriétés catalytiques (reformage, méthanation) et la détermination des mécanismes de désactivation des catalyseurs.