Le méthane (CH4) est un des principaux gaz à effet de serre. L'élevage est à l'origine d'un tiers du CH4 produit par l'activité humaine en Europe. En plus, la production de CH4 représente une perte de 2% à 12 % de l'énergie consommée par l'animal. La méthanogenèse est le résultat de l'activité d'un groupe de microorganismes particuliers - les Archaea méthanogènes. La production de CH4 permet de d'éliminer du milieu ruminal l'hydrogène produit au cours de la fermentation des aliments par les autres microorganismes (bactéries, protozoaires, champignons). En effet, l'accumulation d'hydrogène affecte le fonctionnement optimal du rumen. La réduction des émissions de CH4 par les ruminants présente donc un intérêt économique et environnemental non négligeable et passe inévitablement par une modification de l'écosystème microbien du rumen. L'objectif de ce travail de thèse était de relier la production de CH4 avec la structure et l'activité de la communauté méthanogène du rumen. Différents modèles de manipulation de l'écosystème microbien ruminal comme la défaunation (élimination des protozoaires) et l'utilisation d'aliments connus pour modifier la méthanogenèse ont été utilisés. Le rumen étant un écosystème complexe, les interactions fonctionnelles entre les Archaea méthanogènes et les autres microorganismes présents (bactéries et protozoaires) ont également été étudiées. Dans cette optique, des outils de biologie moléculaire, permettant de cibler les principales communautés microbiennes, ont été optimisés. Nos travaux permettent de conclure sur l'absence de relation claire entre le nombre (et/ou la concentration) des Archaea méthanogènes et la méthanogenèse dans le rumen. Cependant les réductions des émissions de CH4 ont été attribuées aux changements dans la diversité de la communauté méthanogène et la disponibilité en hydrogène. Ce travail de thèse a mis en évidence que les modifications de la composition et/ou de l'activité métabolique de la communauté des Archaea méthanogènes seraient à l'origine des réductions des émissions de CH4 par les ruminants. Une meilleure connaissance des mécanismes microbiens impliqués dans la production de méthane permettra d'envisager de nouvelles pistes pour diminuer les émissions chez les ruminants.

Le travail de cette thèse porte sur la modélisation de la combustion du méthane et de l'oxygène dans des conditions de pression et température typiques de celles rencontrées au sein des moteur-fusées. Pour cette application, des modèles de transports, de thermodynamiques et des équations d'état de type gaz réel ont été implémentés au sein du code de calcul compressible utilisé. Le formalisme des conditions aux limites a été étendu aux gaz réels. La validation de l'ensemble de cette modélisation a été effectuée. Pour la modélisation de la combustion, une méthode de chimie tabulée a été considérée. La méthode de calcul de la température TTC a été choisie et étendue au formalisme des gaz réels. Deux formes pour la tabulation de l'équation d'état gaz réel ont été proposées. Le formalisme du couplage entre la thermodynamique tabulée et les conditions aux limites caractéristiques est établi puis validé. L'étude de l'interaction chimie-turbulence au sein de la combustion LOx/CH4 à haute pression a ensuite été menée au travers de simulations basées sur des essais expérimentaux effectués sur le banc MASCOTTE de l'ONERA.

Une étude expérimentale de l'influence des mélanges gazeux sur le régime de combustion sans flamme a été menée sur l'installation pilote du CORIA, en collaboration avec GDF SUEZ. La première partie de cette étude a été consacrée à la caractérisation détaillée de ce régime de combustion particulier au méthane pur avec et sans préchauffage de l'air comburant. Des mesures locales de température et concentrations d'espèces stables ont été réalisées à l'aide de thermocouples à fil fin et sonde de prélèvement. Une attention particulière a aussi été portée au développement et l'adaptation de techniques d'imagerie sur ce type de four : l'imagerie de chimiluminescence OH* pour la visualisation des zones de réaction et la PIV endoscopique afin d'obtenir des champs de vitesse de grandes dimensions malgré le fort confinement à haute température. L'analyse des résultats obtenus a permis de mettre en évidence le rôle principal de l'aérodynamique des jets turbulents de réactifs dans le four assurant l'obtention et la stabilisation de ce régime de combustion massivement diluée. Dans la seconde partie de cette étude, la faisabilité de l'utilisation d'hydrogène dans un four pilote fonctionnant en régime de combustion sans flamme a été démontrée. On retrouve toutes les caractéristiques intrinsèques à ce régime de combustion en termes de forte efficacité énergétique (lors du préchauffage de l'air) et très faibles émissions polluantes (CO et NOx) de ce régime massivement dilué, associé à la réduction des émissions de CO2 avec l'augmentation de la teneur en hydrogène dans le combustible. En fonctionnement à l'hydrogène pur et sans préchauffage de l?air, le four n?émet plus aucune espèce carbonée et quasiment pas de NOx ; on se rapproche d'un four à "zéro émission".

Les tourbières sont largement présentes dans les hautes latitudes nord et plus particulièrement dans les régions de pergélisols. Elles contiennent un important stock de carbone et constituent l’une des plus grandes sources naturelles de méthane. Leur représentation dans un modèle de climat estalors primordiale pour améliorer celle du cycle du carbone. De plus, la contribution des émissions de méthane des tourbières reste encore incertaine et de nombreuses incertitudes persistent. Les émissions de méthane des tourbières dépendent fortement du climat et sont influencées principalement par la température et l’humidité du sol. Parallèlement, le réchauffement climatique particulièrement prononcé à ces latitudes conduit au dégel des pergélisols avec une augmentation de la profondeur de la couche active. Ce grand réservoir de carbone peut être partiellement mobilisé et émis sous forme de CO2 ou CH4, en fonction des conditions hydrologiques à la surface.L’objectif de ces travaux de thèse consiste à représenter les tourbières des hautes latitudes dansle modèle de surface ORCHIDEE. Ce développement est effectué dans la version du modèle qui intègreles processus des hautes latitudes tels que le gel des sols. Les tourbières sont représentées parun schéma hydrologique spécifique ce qui améliore les échanges en énergie et en eau. La difficultérepose sur la représentation des processus locaux des tourbières à l’échelle d’un modèle de climatglobal. Certaines propriétés biologiques ont également été prises en compte afin de mieux représenter la végétation de ces milieux. Pour cela, les tourbières sont intégrées comme un nouveau type devégétation et représentées par une fraction de grille, basée sur des observations. Le comportement hydrologique et l’impact de cette intégration sont évalués à échelle des hautes latitudes ainsi qu’à échelle régionale. Ce développement permet d’estimer ensuite l’évolution de l’hydrologie des tourbières suite au réchauffement climatique. Les changements de l’hydrologie des tourbières d’ici la fin du siècle permettent de mieux évaluer les variations futures de leurs émissions de CH4.Ce travail de développement a ensuite été appliqué pour déterminer l’évolution des émissions deméthane. Les tourbières constituent l’une des plus grandes sources naturelles de méthane et contrôlentà plus de 70 % la variabilité interannuelle de la concentration atmosphérique de CH4. Les émissionsde méthane résultent de différents processus physiques et biologiques tels que la méthanogénèse etla méthanotrophie. Pour représenter ces processus, un modèle de densité de flux existant, intégré dans ORCHIDEE, a été adapté pour les tourbières afin d’estimer les émissions de méthane des tourbières des hautes latitudes. L’évolution de ces émissions est étudiée entre le début du 20ème et la fin du 21ème siècles selon différents scénarios climatiques. / Peatlands are widely present in northern latitudes and especiallyin permafrost regions. They contain a high carbon stock and are one ofthe greatest natural sources of methane. Their representation in a climate model is crucial to improve the one of the carbon cycle. Moreover, the contribution of methanepeatland emissions remains uncertain.Methane emissions from peatlands strongly depend on the climate and are influenced primarily by temperature and soil moisture. Meanwhile, climate change is particularlysevere at these latitudes and leads to thawing permafrost with increasing the active layer depth. This large carbon reservoir may be partially mobilized and emitted asCO2 or CH4, depending on hydrological conditions at the surface.The aim of this PhD thesis is to represent northern peatlands in the ORCHIDEE land surface model. This development is carried out in the version of the model that incorporatesprocesses in high latitudes such as the soil freezing. Peatlands are represented by a specific hydrological scheme which improves the exchange of energy and water. The difficulty isbased on the representation of local peatlands processes across a global climate model. Some biological properties were also considered to represent bettervegetation of these environments. To do so, peatlands are integrated as a new type ofvegetation and represented by a fraction of a grid, based on observations. Thehydrological behaviour and the impact of this integration are estimated at the boreal scale as well asregionally. This development then allows estimate changes in the hydrology of peatlands due to global warming. Studying the changes in hydrology of peatlands by the end of th 21st century will improve the prediction of future changes in their CH4 emissions.This development work was then applied to determine the evolution of methane emissions. Peatlands are one of the largest natural sources of methane and control more than 70% interannual variability of atmospheric concentration of CH4. Methane emissions result from various physical and biological processes such as methanogenesis and the methanotrophy. To represent these processes, a flux density model, integratedin ORCHIDEE, was adapted for peatlands to estimate their methane emissions. The evolution of these emissions is studied between the early 20th and late 21st centuries under different climate scenarios.

Le méthane (CH4) est un des principaux gaz à effet de serre. L’élevage est à l’origine d’un tiers du CH4 produit par l’activité humaine en Europe. En plus, la production de CH4 représente une perte de 2% à 12 % de l’énergie consommée par l’animal. La méthanogenèse est le résultat de l’activité d’un groupe de microorganismes particuliers - les Archaea méthanogènes. La production de CH4 permet de d’éliminer du milieu ruminal l’hydrogène produit au cours de la fermentation des aliments par les autres microorganismes (bactéries, protozoaires, champignons). En effet, l’accumulation d’hydrogène affecte le fonctionnement optimal du rumen. La réduction des émissions de CH4 par les ruminants présente donc un intérêt économique et environnemental non négligeable et passe inévitablement par une modification de l’écosystème microbien du rumen. L’objectif de ce travail de thèse était de relier la production de CH4 avec la structure et l’activité de la communauté méthanogène du rumen. Différents modèles de manipulation de l’écosystème microbien ruminal comme la défaunation (élimination des protozoaires) et l’utilisation d’aliments connus pour modifier la méthanogenèse ont été utilisés. Le rumen étant un écosystème complexe, les interactions fonctionnelles entre les Archaea méthanogènes et les autres microorganismes présents (bactéries et protozoaires) ont également été étudiées. Dans cette optique, des outils de biologie moléculaire, permettant de cibler les principales communautés microbiennes, ont été optimisés. Nos travaux permettent de conclure sur l’absence de relation claire entre le nombre (et/ou la concentration) des Archaea méthanogènes et la méthanogenèse dans le rumen. Cependant les réductions des émissions de CH4 ont été attribuées aux changements dans la diversité de la communauté méthanogène et la disponibilité en hydrogène. Ce travail de thèse a mis en évidence que les modifications de la composition et/ou de l’activité métabolique de la communauté des Archaea méthanogènes seraient à l’origine des réductions des émissions de CH4 par les ruminants. Une meilleure connaissance des mécanismes microbiens impliqués dans la production de méthane permettra d’envisager de nouvelles pistes pour diminuer les émissions chez les ruminants. / Methane (CH4) is a major greenhouse gas. Livestock contributes to one third of CH4 produced by human activity in Europe. Methanogenesis is the result of the activity of a specific group of microorganisms, the methanogenic Archaea. This natural process prevents hydrogen accumulation in the rumen, which may affect the optimal feed degradation, but it represents a loss of 2% to 12% of energy consumed by the animal. Reduction of CH4 emissions from ruminants presents therefore economic and environmental benefits and inevitably involves a change in rumen microbial ecosystem. However microbial mechanisms of CH4 production in the rumen are still poorly understood. The objective of this thesis was to relate the production of CH4 with the structure and/or the activity of the methanogenic rumen community. Different models of manipulation of the rumen microbiota such as defaunation (removal of protozoa) and the use of feed known to affect methanogenesis were used. Interactions between methanogenic Archaea and other microorganisms (bacteria and protozoa) were also studied in the complex rumen ecosystem. In this context, tools of molecular biology, to identify key microbial communities, were optimized. Our work allows to conclude that there is no clear relationship between the number of methanogenic Archaea and methanogenesis rate in the rumen. However, reduction in CH4 emissions could be attributed to changes in the diversity of the methanogenic community and the availability of hydrogen. This thesis has shown that changes in the composition and / or metabolic activity of methanogenic Archaea community were associated to the reductions in CH4 emissions observed in our animal trials. A better understanding of microbial mechanisms involved in the production of methane will consider new ways to reduce emissions in ruminants.

La mise au point d'une cellule de SOFC haute performance de configuration anode support pour un fonctionnement sous méthane pur nécessite l'élaboration d'un film mince d'électrolyte et le développement d'une architecture innovante permettant le reformage d'hydrocarbures. La première partie du travail a consisté en l'élaboration de films minces d'électrolyte de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium par atomisation électrostatique sur un substrat composite poreux NiO-8YSZ. Cette technique originale a permis l'obtention de films minces, denses et étanches à partir d'une suspension, présentant des propriétés électriques comparables à celles d'un échantillon massif de même composition. La seconde partie du travail a porté sur la mise au point d'une cellule de SOFC optimisée dont l'architecture innovante intégrant une membrane anodique catalytique est basée sur le concept associant le reformage interne progressif et le découplage électro-catalytique. Une séquence d'élaboration établie spécifiquement conditionne l'assemblage des éléments optimisés de la cellule. L'adaptation de la cellule dans un banc de mesures a permis la réalisation de tests électrochimiques sous hydrogène et méthane à haute température. Le fonctionnement stable du dispositif pendant plus de 1000 h sous méthane pur avec un taux d'utilisation optimisé, sans apport extérieur d'eau et sans dépôt de carbone a validé le concept étudié. / The design of a high performance anode supported SOFC operating under pure methane requires the elaboration of a thin film of electrolyte and the development of an original architecture adapted to the reforming of hydrocarbons. The first part of this work was dedicated to the elaboration of yttria stabilized zirconia thin films of electrolyte by ESD onto a NiO-8YSZ porous substrate. This original technique has allowed the fabrication of thin, dense and gas-tight films starting from a suspension, with good electrical properties comparable to that of a bulk sample of the same nature. The second part of this work concerned the design of an optimized SOFC cell with an original architecture integrating an anodic catalytic membrane based on a concept gathering the gradual internal reforming and the electro-catalytic dissociation. The assembly of the optimized components is conditioned by an elaboration sequence specifically established. The adjustment of the cell in a test bench led to the achievement of electrochemical tests in hydrogen and methane at 800°C. The stable operating of the cell fueled by pure and dry methane with optimized faradaic efficiency for more than 1000 h without carbon deposition proved the viability of the studied concept.

Cette thèse porte sur le développement théorique et expérimental d’une nouvelle méthodologie de détection des gaz à effet de serre basée sur la spectroscopie optique d’absorption. La question posée était : est-il possible d’évaluer de manière univoque la concentration d’un gaz à partir d’une mesure par spectroscopie d’absorption différentielle, dans laquelle l’étendue spectrale de la source lumineuse est plus large que celle d’une ou de plusieurs raies d'absorption de la molécule considérée et que, de plus la détection n’est pas résolue spectralement ? La réponse à cette question permettra d’entrevoir à terme le développer d’un instrument de télédétection de terrain robuste sans contrainte opto-mécanique majeure aussi bien sur la source laser que sur la chaîne de détection.Ces travaux ont donné lieu au développement d’une nouvelle méthodologie que l’on dénomme « Optical Similitude Absorption Spectroscopy » (OSAS) ou spectroscopie d’absorption optique de similitude. Cette méthodologie permet donc de déterminer de manière quantitative une concentration d’un gaz à partir de mesures d’absorption différentielle non résolue spectralement sans procédure de calibration en concentration. Ceci demande alors une connaissance précise de la densité spectrale de la source lumineuse et du système de détection. Ces travaux publiés ont permis de démontrer que cette nouvelle méthodologie est dans le domaine spectral du proche infrarouge peu sensible aux conditions thermodynamiques du gaz observé. D’autre part, ces travaux ont permis de mettre en exergue l’inversion de la Loi de Beer-Lambert non résolue spectralement ce qui donne lieu à la résolution d’un système analytique non linéaire. À cette fin le développement d’un nouvel algorithme d’inversion de ce type de mesures a pu être vérifié expérimentalement en laboratoire sur le méthane, en exploitant aussi bien des sources à large bande spectrale cohérente et non cohérente. La détection de cette molécule dans l’atmosphère a pu être réalisée dans le cadre de ces travaux en couplant judicieusement la méthodologie OSAS et la technique Lidar. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives sur la détection de gaz à effet de serre dans le domaine spectral infrarouge ainsi que la possibilité de détecter plusieurs molécules d’intérêt atmosphérique simultanément / This thesis concerns the theoretical and experimental development of a new methodology for greenhouse gases detection based on the optical absorption. The problem relies on the unambiguous retrieval of a gas concentration from differential absorption measurements, in which the spectral width of the light source is wider than one or several absorption lines of the considered target gas given that the detection is not spectrally resolved. This problem could lead to the development of a robust remote sensing instrument dedicated to greenhouse gas observation, without strong technology limitations on the laser source as well as on the detection system. Solving this problem, we could propose a new methodology named: "Optical Similitude Absorption Spectroscopy" (OSAS).This methodology thus allows to determine a quantitative target gas concentration from non-resolved differential absorption measurements avoiding the use of a gas concentration calibration procedure. Thereby, a precise knowledge of the emitted power spectral density of the light source and the efficiency of the detection system are needed.This work that has been recently published could demonstrate that this new methodology applied on the NIR remains accurate even in the presence of strong atmospheric pressure and temperature gradients. Moreover, we show that inverting spectrally integrated measurements which follow the Beer-Lambert law leads to solve a nonlinear system. For this, a new inversion algorithm has been developed. It was experimentally verified in laboratory on methane by using coherent and non-coherent broadband light sources. The detection of methane in the atmosphere could be also realized by coupling the OSAS methodology and the Lidar technique. Outlooks are proposed and especially on the detection of greenhouse gases in the infrared spectral domain as well as the ability to simultaneously detect several atmospheric molecules of interest

Les émissions de méthane (CH[indice inférieur 4]), gaz à effet de serre provoquant le réchauffement climatique doivent être contrôlées. Les biofiltres peuvent être utilisés pour atteindre cet objectif. Les émissions de CH[indice inférieur 4] issues des industries agroalimentaires ou du traitement des eaux peuvent être accompagnées de vapeurs d’alcool. La présence simultanée de CH[indice inférieur 4], polluant à limitation par transfert de masse et d’alcool, polluant à limitation cinétique dans un mélange gazeux peut induire des limitations dans le biofiltre. L’objectif principal de cette recherche est l’évaluation des limitations dans un biofiltre traitant le CH[indice inférieur 4] en présence ou en absence de vapeur d’alcool en régime permanent ou transitoire. Dans un premier temps, une revue de littérature s’est penchée sur les limitations basées sur le transfert de masse et la cinétique lors de l’enlèvement de polluants organiques dans un biofiltre. Par la suite, l’élimination du CH[indice inférieur 4] a été effectuée dans un biofiltre afin d’évaluer l’influence de la concentration à l’entrée du biofiltre sur la performance du biofiltre. Une capacité d’élimination maximale de 45 g [indice supérieur -3] h[indice supérieur -1] a été obtenue pour une charge à l’entrée de 87 g [indice supérieur -3] h[indice supérieur -1] du biofiltre. Le biofiltre a toléré des charges par à-coups de CH[indice inférieur 4] de même que des privations de CH[indice inférieur 4] et de nutriments. Par conséquent, les comportements en régimes permanent et transitoire d’élimination du CH[indice inférieur 4] en présence de vapeurs d’éthanol ont été étudiés dans un biofiltre ayant un lit filtrant inorganique sous des temps de résidence en fût vide (EBRT) de 6, 3 et 1.5 minutes. L’ajout d’éthanol sur 3 cycles a été effectué en fonction des 3 EBRTs. Un EBRT de 6 min correspondant à des charges à l’entrée de CH4 et d’éthanol de 4.5 et de 132 g [indice supérieur -3] h[indice supérieur -1] a induit des limitations mineures en ce qui a trait à l’enlèvement du CH[indice inférieur 4] et de l’éthanol. En régime transitoire, la période de récupération après les 3 cycles a nécessité 10 à 25 jours. Ce délai est relié à la présence d’éthanol dans le lixiviat. Dans un dernier temps, deux biofiltres ayant un garnissage de pierres et un garnissage mixte ont été comparés pour l’enlèvement du CH[indice inférieur 4] et de l’éthanol présents dans un mélange gazeux en régime permanent. La section inférieure du biofiltre a permis l’élimination totale de l’éthanol. De plus, lors de l’élimination totale de l’éthanol dans la section inférieure du biofiltre, la production de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]) dépasse 16 g[indice supérieur -3] h[indice supérieur -1], pour des charges à l’entrée de CH[indice inférieur 4] et d’éthanol de 11 et 13 g m[indice supérieur -3] h[indice supérieur -1] respectivement. Par ailleurs, une concentration en éthanol dans le lixiviat excédant 2500 géthanol m[indice supérieur -3] lixiviat a été obtenue. Les biofiltres ont démontré une flexibilité pour des charges par à-coups d’éthanol suivies de périodes de carence. Le principal inconvénient du biofiltre à lit de pierres par rapport au biofiltre mixte est une perte de charge élevée dans la section inférieure du biofiltre. Une période de carence est un excellent moyen de contrer la perte de charge. / Abstract : Since methane (CH[subscript 4]) is a greenhouse gas with hazardous effects for global warming, every effort should be made to reduced methane emissions. Biofilters are potential candidates for CH[subscript 4] removal. In food and beverage industries as well as ethanol refineries, the feed of the biofilter might be a mixture of CH[subscript 4] emissions from wastewater treatment unit and ethanol emissions from other units. The presence of CH[subscript 4] as a mass transfer limited and ethanol vapor as a kinetic limited pollutant in a mixture can produce several limitations in a biofilter. The main objective of this research is to evaluate the limitations of CH[subscript 4] biofiltration or in the presence of ethanol vapors under steady and transient state conditions. First, a literature review was provided on mass transfer and kinetic limited organic pollutants removal in biofilters and the related limitations. Subsequently, the CH[subscript 4] elimination was assessed in a biofilter in order to evaluate the effect of CH[subscript 4] inlet concentration in the range of 1000 to 13000 ppmv and a gas flow rate of 3 L min[supercript -1] on the biofilter performance. A maximum CH[subscript 4] elimination capacity (ECmax) of 45 g m[superscript -3] h[superscript -1] was obtained for a CH[subscript 4] inlet load (IL) of 87 g m[superscript -3] h[superscript -1]. The biofilter tolerated CH[subscript 4] shock loads as well as different types of CH[subscript 4] and nutrient starvations. Subsequently, the steady state and dynamic behaviors of CH[subscript 4] elimination in the presence of ethanol vapor was studied in an inorganic bed biofilter with empty bed residence times (EBRTs) of 6, 3 and 1.5 min. Ethanol addition was performed in 3 cycles based on the EBRTs. An EBRT of 6 min with corresponding CH[subscript 4] and ethanol inlet loads of 132 and 4.5 gpollutant m[superscript -3] h[superscript -1] respectively, caused the least limitations for the simultaneous removal of CH[subscript 4] and ethanol in the biofilter. According to dynamic behavior of the biofilter, the recovery time after the three cycles took from 10 to 25 days. The delayed biofilter recovery was linked to the presence of ethanol in the liquid effluent. Finally, a stone-based bed and a hybrid packing biofilter were compared for CH[subscript 4] and ethanol removal in a mixture under steady and transient state conditions. Ethanol was completely removed in the bottom sections of both biofilters. A large carbon dioxide (CO[subscript 2]) production rate exceeding 18 g m[superscript -3] h[superscript -1] occurred in the bottom sections for CH[subscript 4] and ethanol inlet loads of 11 and 13 g m[superscript -3] h[superscript -1] respectively. In addition, an ethanol concentration in the leachate exceeding 2500 gethanol m[superscript -3] leachate was obtained for both biofilters. The biofilters were flexible to an ethanol shock load followed by a starvation period. The main drawback of the stone based bed biofilter compared to the hybrid packing biofilter was an excess pressure drop in the bottom section. Starvation was found an effective strategy for reducing the pressure drop.

Malgré ses avantages économiques et environnementaux, le procédé de reformage à sec du méthane sur des catalyseurs au nickel supporté se heurte encore à des problèmes de frittage de la phase active (un métal de transition) et de dépôt de carbone, ce qui entraîne une diminution de l'activité catalytique. Cette thèse porte sur l'étude de l'effet de confinement du nickel dans des catalyseurs à base de silice mésoporeuse pour la production de gaz de synthèse par reformage du méthane par le CO2. Dans cette étude, les échantillons ont été caractérisés par physisorption de N2, DRX, MET/MEB, RTP, et, en plus, par Raman, SPX, HTP/SM, ATG/SM pour les catalyseurs après test catalytique. Les résultats montrent qu'un support mésoporeux bien structuré ayant une grande surface spécifique et un grand volume poreux est important pour une meilleure dispersion et stabilisation de la phase active à l'intérieur de la porosité. La silice mésoporeuse de SBA-15 (préparée en grande quantité), composée de grains allongés, semble être appropriée pour atteindre cet objectif. Il est de plus démontré que la formation de petites particules bien confinées à l'intérieur des pores favorise la résistance au dépôt de carbone. Ceci peut être obtenu en imposant un traitement hydrothermal au support, en utilisant la méthode deux solvants pour le dépôt de Ni, en passant à une réduction directe des échantillons non calcinés, en ajoutant du Rh en faibles quantités ou en utilisant du Ce comme promoteur, à condition que le Ni et Ce soient en interaction. / Although economically and environmentally advantageous, the methane dry reforming process using supported nickel based catalysts still faces problems of active phase (a transition metal) sintering and of carbon deposition, which result in catalytic activity loss. This thesis is focused on the study of the confinement effect of nickel in mesoporous silica-based catalysts for syngas production by reforming of methane with CO2. In this study, the samples were characterized by N2 sorption, XRD, TEM/SEM, TPR, in addition to Raman, XPS, TPH/MS, TGA/MS for the spent catalysts. The results indicate that a well-structured mesoporous support with high surface area and large pore volume is important for better dispersion and stabilization of the active phase inside the porosity. The mesoporous SBA-15 silica support (prepared in large quantity), composed of elongated grains, appear to be suitable for the purpose. Moreover, it is demonstrated that the formation of small nickel particles well-confined inside the pores favors carbon resistance. This can be achieved by applying hydrothermal treatment to the support, using two solvents method for Ni deposition, using direct reduction of uncalcined samples, adding Rh in small quantities or promoting with Ce, provided that Ni and Ce are in interaction.

L'augmentation des émissions de dioxyde de carbone force l'implémentation de différentes stratégies de réduction des émissions de CO2 qui peuvent être divisées en deux groupes principaux: (i) Le captage du carbone et stockage (CCS) and (ii) le captage du carbone et utilisation (CCU). Un des procédés convertissant le CO2 en un produit à valeur ajoutée est le reformage à sec du méthane (DRM). Cependant le procédé de DRM n'a pas été commercialisé en raison de la forte endothermicité de la réaction et par manque de catalyseur actif, stable et bon marché à ce jour. Les matériaux possédant des propriétés bénéfiques pour la réaction de DRM et pouvant inclure les composants catalyseurs désirés à savoir Ni, MgO et Al2O3 sont les hydrotalcites. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer la performance catalytique de différents systèmes catalytiques à base d'hydrotalcite contenant du nickel lors de DRM. Cette thèse a été divisée en trois parties: (i) l'influence de l'introduction de nickel dans un système catalytique à base d'hydrotalcite, (ii) l'évaluation de la teneur en nickel des couches de brucite de l'hydrotalcite sur les propriétés catalytiques du matériau et (iii) l'évaluation de l'effet des promoteurs Ce et/ou Zr. Afin de répondre à ces problématiques, plusieurs catalyseurs à base d'hydrotalcite ont été synthétisés par la méthode de co-précipitation. Les propriétés physico-chimiques des matériaux préparés ont été évalués au moyen d'analyse élémentaire (XRF ou ICP-MS), XRD, FTIR, N2-sorption à basse température, H2-TPR, CO2-DPT, TEM, expériences SEM et TG. Les matériaux ont ensuite été testés dans la réaction de DRM à 550, 650 et 750°C / The growing emissions of carbon dioxide forced implementation of different CO2 emissions reduction strategies, which may be divided into two main groups: (i) carbon capture and storage (CCS) and (ii) carbon capture and utilization (CCU) technologies. The latter approach allows to recycle CO2. One of the processes that converts CO2 into added-value products is dry reforming of methane (DRM). The DRM process has not yet been commercialized due to the high endothermicity of the reaction and lack of cheap, active and stable catalysts.The materials which have beneficial properties in DRM reaction and may include desired catalysts components i.e. Ni, MgO and Al2O3 are hydrotalcites. The main goal of this PhD thesis was to evaluate catalytic performance of different hydrotalcite-based catalytic systems containing nickel in methane dry reforming process. This PhD was divided into three parts: (i) the comparison of the influence of nickel introduction into HTs-based catalytic system, (ii) the evaluation of wide range of nickel content in hydrotalcite brucite-like layers on materials catalytic properties and (iii) the evaluation of the effect of Ce and/or Zr promoters. In order to address these issues a number of different hydrotalcite-based catalysts was synthesized by co-precipitation. The physico-chemical properties of the prepared materials were evaluated by means of elemental analysis (XRF or ICP-MS), XRD, FTIR, low temperature N2 sorption, H2-TPR, CO2-TPD, TEM, SEM and TG experiments. The materials were subsequently tested in the DRM reaction. Most of catalytic tests were carried out at 550°C, but higher temperatures (650 and 750°C) were also studied.