L'objectif principal de ce travail était l'étude de systèmes catalytiques stables, actifs et sélectifs pour les réactions de vapo-reformage, oxyvaporeformage et oxydation partielle de l'éthanol en vu de produire de l'hydrogène. avec une concentration réduite de monoxyde de carbone. Deux formulations principales, Ir/CeO2 et Rh/CeO2, ont été sélectionnées pour étudier le mécanisme des réactions de surface de l'éthanol adsorbé par FT-IR et TPD et pour être testées en micro-réacteur structuré. Il a été montré que la cérine joue un rôle déterminant quant à la dispersion de la phase active en évitant son frittage lors de la réaction et quant à l'inhibition du cokage du fait de ses propriétés rédox. Par ailleurs, la dispersion de ce support qui peut décroître lors de tests de longue durée détermine le niveau de conversion de l'éthanol et le vieillissement du catalyseur. Les principales étapes élémentaires du mécanisme réactionnel ont été identifiées, liées à la formation de produits intermédiaires dans les régimes transitoires et/ou lorsque la conversion de l'éthanol reste partielle (à basse température, faibles temps de contact). Pour les trois réactions étudiées, les excellentes performances obtenues en réacteur microstructuré proviennent essentiellement d'une meilleure gestion des effets thermiques, ce qui ouvre de réelles perspectives d'application industrielle

Le traitement par laser femtoseconde dans des matériaux transparents est prometteur du fait de la possibilité de contrôler le dépôt d'énergie dans le temps et dans l'espace. Il ouvre ainsi des possibilités fantastiques pour la fabrication de nouveaux matériaux composites multifonctionnels en manipulant la taille, la forme et l'orientation des cristaux non linéaires dans les verres. Cette thèse contribue principalement à la maîtrise de la nano ou micro cristallisation dans des verres à base de silice pour le développement de nouveaux matériaux électro-optiques multi-fonctionnels par l'irradiation au laser femtoseconde. On démontre la faisabilité du traitement des matériaux par le laser femtoseconde pour remodeler les propriétés optiques linéaires et non linéaires ou de la fabrication de micro / nano agrégats, ainsi que les formes et les orientations (en particulier agrégats asymétriques), les tailles et les distributions (à l'échelle sub-micrométrique). Le mémoire débute par un chapitre introductif sur l'investigation de l'écriture par laser impulsionnel ultra-bref dans la silice pure, ainsi que dans le verre à base de silice, afin de bien maîtriser l'inscription avec ce nouveau type de laser. Nous discutons les effets des paramètres du laser sur l'écriture, telle que la vitesse de déplacement du faisceau et la polarisation du laser, sur les propriétés optiques et les structures atomiques, par exemple, la biréfringence, les champs de contraintes et le changement d'arrangement atomique. Il est mis en évidence des effets orientationnels et directionnels spécifiques de l'interaction de ce type de laser avec les verres. Le mécanisme associé fait probablement intervenir l'inclinaison du front de la phase du champ de l'impulsion par rapport au déplacement du faisceau dans le solide. La précipitation des cristaux LiNbO3 orientés dans le verre avec l'irradiation laser femtoseconde est réalisée dans le cas d'une fréquence de répétition élevée (typ. 300 kHz) permettant l'accumulation de chaleur. Des cristaux orientés avec leur axe polaire aligné dans la direction d'inscription du laser ont été fabriqués en manipulant le gradient de température par le réglage des paramètres du laser. L'imagerie microscopique de génération de seconde harmonique (GSH) montre le caractère cristallin asymétrique et fournit des informations sur les orientations dominantes favorisées lors des processus de cristallisation. Les résultats de diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD) fournissent des informations détaillées sur l'orientation des cristaux et révèlent la structure des lignes écrites notamment tailles et dispersion des orientations. En outre, des débuts de modélisation ont été réalisés pour se diriger vers une maîtrise de l'écriture de structures linéaires cristallines. Une autre section du mémoire rapporte l'étude de reformation par l'irradiation avec le laser femtoseconde de nanoparticules d'or quasi-sphériques ou quasi-tige dans le verre à base de silice. Les nanoparticules d'or de la taille de 3-4 nm ont été précipitées par traitement thermique. Après l'irradiation par le laser, des mesures optiques d'absorption, de biréfringence et de dichroïsme ont été effectuées pour étudier la modification de la forme de nanoparticules d'or dans le verre. Les simulations théoriques ont été menées pour interpréter les résultats expérimentaux basés sur la théorie de Gans et le modèle de Drude avec les constantes diélectriques connus de l'or. Enfin, des stratégies de conception efficaces sont aussi suggérées pour le futur pour des applications possibles utilisant la précipitation, la forme et l'orientation des micro/nanoparticules en 3D.

L'utilisation directe d'hydrogène comme vecteur énergétique pour des applications embarquées doit actuellement faire face à l'absence d'infrastructure de distribution et à des difficultés technologiques liées au problème du stockage de l'hydrogène. Une étape transitoire possible avant le passage à une économie " direct hydrogène " consiste à produire l'hydrogène à bord du véhicule à partir des carburants automobiles traditionnels. Le reformage assisté par plasma hors équilibre constitue une alternative au reformage catalytique qui, bien que largement utilisé à l'échelle industrielle, reste peu adapté aux contraintes des systèmes embarqués. Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherches menées depuis une quinzaine d'années par le Centre Energétique et Procédés de l'Ecole des Mines de Paris, dans le domaine de la conversion d'hydrocarbures par voie plasma. Il a conduit à la réalisation et à la caractérisation d'un banc d'essai de reformage assisté par plasma hors équilibre. Le développement du dispositif expérimental, constitué d'une torche plasma et de son alimentation électrique, s'est appuyé sur la mise au point de deux types de générateurs : un générateur conventionnel basé sur un transformateur haute tension et un générateur électronique original de type convertisseur à résonance qui permet le contrôle continu du courant de décharge dans des conditions de haute tension-faible courant. La caractérisation électrique du système convertisseur / torche plasma, en fonctionnement non réactif à l'air, a permis de distinguer différents régimes de décharge fortement dépendants des régimes thermiques et des paramètres d'écoulement du gaz. La modélisation du reformage de l'octane a montré, au travers d'une étude thermodynamique et d'une étude cinétique basée sur trois approches de complexité croissante, l'influence des principaux paramètres opératoires et a permis de mettre en évidence le rôle du plasma sur les réactions de reformage. Les résultats expérimentaux, en accord avec les résultats théoriques obtenus, ont été comparés aux résultats issus de la littérature. Dans une dernière partie, l'utilisation d'un procédé de reformage plasma comme composant du système global : reformeur / pile à combustible a été étudiée et quelques perspectives d'évolution de la technologie plasma ont été présentées.

Le reformage catalytique vise à transformer les naphtas en aromatiques à haut indice d'octane et à produire simultanément du dihydrogène. Le catalyseur utilisé est composé d’agrégats sub-nanométriques à base de platine hautement dispersées sur un support d’alumine-gamma dont le comportement en réaction pose de nombreuses questions. Nous étudions expérimentalement et théoriquement une réaction modèle qui sonde les sites métalliques, la déshydrogénation du methyl-cyclohexane en toluène. Une compréhension détaillée à l'échelle atomique des mécanismes impliqués et des paramètres cinétiques est nécessaire. Nous avons mise en œuvre des calculs DFT (PBE et PBE-dDsC) sur un modèle pertinent Pt13/alumine-gamma, afin de déterminer les intermédiaires, les états de transition et leurs enthalpies libres. Le mécanisme a été exploré via des étapes séquentielles de rupture des liaisons C-H. Une reconstruction des agrégats se produit le long du chemin réactionnel, mettant en évidence sa fluctionalité (confirmée par dynamique moléculaire). Les enthalpies libres d’activation de la rupture C-H, de migration d’hydrogène et de reconstruction de l’agrégat ont été systématiquement déterminées à T=625 K. L'enthalpie libre la plus élevée (ΔrG‡=95 kJ/mol) est trouvée pour la troisième rupture de liaison C-H sur le methyl-cyclohexène. L'intermédiaire le plus stable est le produit adsorbé {toluène+H2}. Cependant, d’autres étapes de rupture C-H ou de désorption du toluène sont compétitives. Les constantes de vitesse des étapes élémentaires obtenues par DFT sont introduites dans 8 modèles cinétiques différents de type Langmuir-Hinshelwood (LH). La nature de l'étape déterminante de la vitesse a été choisie en fonction des constantes de vitesse de chaque étape élémentaire individuelle, ou de la prise en compte de séquences d’étapes limitantes, grâce à une analyse de type « energetic span ». Nous avons finalement expérimentalement réalisé des tests catalytiques sur Pt/γ-alumine (0.3 wt% Pt) à différentes températures, temps de contact, pressions partielles d’hydrogène et de méthylcyclohexane, pour obtenir des données cinétiques expérimentales. L'enthalpie d'activation apparente de 196 kJ/mol calculée par l’un des meilleurs modèles LH (3ème rupture C-H limitante) est proche de l’expérience (195 kJ/mol). De plus, l’évolution des vitesses de réaction en fonction des pressions partielles d'hydrogène et de méthylcyclohexane est discutée au regard de l’expérience et des modèles. Même si les tendances sont recouvrées par les modèles, des écarts théorie-expérience sont mis au jour, ce qui ouvre des perspectives vers une modélisation microcinétique future. / Catalytic reforming aims at transforming naphta into high octane aromatics and producing simultaneously dihydrogen. The catalyst used is composed of platinum-based sub-nanometric clusters highly dispersed on a gamma-alumina support which behavior under reaction conditions is the subject of numerous questions. We investigate experimentally and theoretically one model reaction probing the metal sites, the dehydrogenation of methyl-cyclohexane into toluene. A detailed atomic scale understanding of the mechanisms involved, and their related kinetic parameters, is required. We undertook DFT calculations with PBE and PBE-dDsC functionals on a relevant Pt13/γ-alumina model, in order to determine the intermediates, transition states and their free energies. The reaction mechanism was explored by assuming sequential C-H breaking steps. Reconstructions of the cluster and hydrogen migrations occur along the reaction pathway, highlighting its high fluctionality (also confirmed by molecular dynamics). Free energies of activation for C-H bond breaking, H migration and cluster’s reconstruction were systematically determined at T=625 K. The highest activation Gibbs free energy (ΔrG‡=95 kJ/mol) is found for the third C-H bond breaking on methyl-cyclohexene, while the most stable intermediate is the {toluene+H2} adsorbed product. However, other C-H bond breaking steps and eventually toluene desorption may compete. A comparison with the Pt (111) surface is also given. Rate constants of elementary steps estimated by DFT are introduced in 8 Langmuir-Hinshelwood (LH) kinetic models based on a single rate determining step (RDS) concept, or on a limiting steps sequence deduced from an energetic span analysis. We finally carried out experimental tests on Pt/γ-alumina catalysts (0.3 wt% Pt) at various temperatures, space times, hydrogen and methyl-cyclohexane partial pressures, to provide experimental kinetic data. The calculated apparent activation enthalpy is predicted to be 196 kJ/mol in close agreement with the experimental one (195 kJ/mol) for the best LH model (third C-H bond breaking as RDS). Moreover, the dependence of reaction rates on hydrogen and methyl-cyclohexane partial pressures are discussed with respect to experimental trends and models. Although the main trends are recovered by the kinetic model, some discrepancies are revealed. This work paves the way for a future microkinetic modeling.

Considéré comme vecteur énergétique du futur, l'hydrogène semble être la solution miracle pour sortir de la crise énergétique et environnementale actuelle. Ceci peut être vrai à condition de résoudre tous les problèmes inhérents à son cycle de vie (production, distribution, stockage et utilisation). Face aux nombreux impacts environnementaux générés au cours de la production d’hydrogène, la complexité de leur évaluation et les éventuelles interactions entre eux, le recours à des méthodes d’évaluation environnementale semble nécessaire. Ainsi, l’Analyse de Cycle de Vie Exergétique (ACVE) a été choisie comme l’outil le plus intéressant pour l’étude des scénarios de production d’hydrogène. Elle va, d’une part, comparer des systèmes de production d’hydrogène dans le but de déterminer lequel est le plus éco-efficace et, d’autre part, localiser leurs possibilités d’amélioration environnementale. Huit scénarios de production d’hydrogène ont été étudiés par cette approche ACVE. Ces scénarios se basent essentiellement sur des techniques de reformage du méthane fossile, du biométhane et du bioéthanol. Les résultats obtenus montrent que les scénarios de production d’hydrogène à partir du méthane fossile, technique mûre et largement utilisée, sont les plus gros consommateurs de ressources abiotiques et les plus émetteurs de gaz à effet de serre (GES). Par contre, le recours au biométhane comme source d’hydrogène peut présenter, dans certaines configurations, une bonne solution. Le profil environnemental d’une filière hydrogène ex-biométhane peut encore être rendu plus attrayant par amélioration du système de digestion anaérobie avec un système de reformage sur site. Le recours au bioéthanol produit à partir du blé comme source d’hydrogène présente des effets néfastes sur l’environnement. En effet, ces procédés sont caractérisés par de grands pouvoirs d’eutrophisation et d’acidification en plus de leurs émissions importantes des gaz effet de serre (GES). Toutefois, le bioéthanol peut constituer une source durable et renouvelable pour la production d’hydrogène si sa production ne nuit pas à l’environnement / Considered as the future energy carrier, hydrogen appears to be the miracle solution to overcome the current energy crisis and environmental problems. This can be possible only by solving all the problems associated with its life cycle (production, distribution, storage and final use).Due to the large number of environmental impacts generated during hydrogen production, the complexity of their evaluation and the possible interactions among them the use of environmental assessment methods is necessary. The Exergetic Life Cycle Assessment (ELCA) approach was chosen as the most useful tool for hydrogen production scenarios investigation. It compares hydrogen production systems in order to identify which one is more eco-efficient and recognizes their opportunities for environmental improvement. Eight scenarios for hydrogen production were studied by the ELCA approach. These scenarios are essentially based on reforming techniques of fossil methane, biomethane and bioethanol. The results show that the hydrogen produced by fossil methane scenarios, a mature and widely used technique, are the largest consumers of abiotic resources and emitters of greenhouse gases (GHG). The use of biomethane as hydrogen source presents an interesting solution. The environmental profile of a hydrogen ex-bio-methane can be made even more attractive solution by improving anaerobic digestion system with on-site reforming process. The use of bio-ethanol produced from wheat as a hydrogen source has large environmental impacts. In fact, these processes are characterized by large eutrophication and acidification potentials in addition to their emissions of large amount of greenhouse gases (GHG). However, bio-ethanol can be a sustainable and renewable source for hydrogen production on condition that it is produced by environmentally friendly manners

Le reformage catalytique du méthane en hydrogène, vecteur d'énergie pour les piles à combustibles de type Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), a été étudié sur des matériaux d'anode à base de métaux supportés (NiO/CeO2, NiO-Y2O3-ZrO2) et également sur des catalyseurs de structure définie (La0,8Sr0,2TiO3+δ). La première famille de catalyseurs a été synthétisée par deux méthodes de préparation : la technique d'imprégnation en milieu aqueux et en milieu organique sur des supports du commerce CeO2 et Y2O3-ZrO2 ou préparés au laboratoire, et par le procédé sol-gel. Le titanate de lanthane dopé au strontium a été préparé par la méthode de co-précipitation et également par la méthode sol-gel. La méthode de préparation a un effet important sur les propriétés physico-chimiques des catalyseurs synthétisés et par conséquent affecte à la fois leur activité catalytique en reformage du méthane et leur résistance à l'empoisonnement par le dépôt de carbone. Les catalyseurs à base de nickel supporté sur cérine ont été par la suite dopés avec l'oxyde de magnésium (formation d'une solution solide MgO-NiO) ainsi qu'avec l'oxyde de lanthane (La2O3-NiO) en vue de limiter la formation de carbone sur la surface catalytique et augmenter ainsi la durée de vie des catalyseurs lors du reformage du méthane. Les résultats obtenus montrent que l'effet de promotion de la phase active NiO par MgO ou La2O3 diminue à la fois le dépôt de carbone mais également les performances catalytiques. Les propriétés physico-chimiques et les performances catalytiques de NiO-Y2O3-ZrO2 préparé par le procédé sol-gel ont été comparées à celles de matériaux commerciaux (Aldrich & Jülich) de même composition. Les résultats expérimentaux montrent que les matériaux synthétisés par la méthode sol-gel sont plus actifs en vaporeformage du méthane que ceux du commerce (dans le domaine de fonctionnement d'une pile SOFC) alors qu'ils présentent une activité similaire à ces derniers en reformage à sec du méthane. La quantité de carbone graphitique formée, quoique supérieure à celle observée dans le cas des catalyseurs commerciaux, demeure faible (< 2%). Ce dépôt de carbone ne provoque qu'une légère diminution des performances catalytiques en reformage à sec du méthane. Ceci est probablement lié à la diminution des sites actifs / The catalytic reforming of methane into hydrogen, for direct operation of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) on methane, was studied on anode materials such as NiO/CeO2, NiO-Y2O3-ZrO2 and La0.8Sr0.2TiO3+δ. The first group of catalysts was synthesized by two methods: the impregnation technique both in aqueous and organic media (commercial and laboratory made CeO2 and Y2O3-ZrO2), and also using sol-gel process. Lanthanumtitanium oxide host structure doped with strontium was prepared both by co-precipitation and sol-gel process. The method of preparation has an important effect on the physico-chemical properties of the synthesized catalysts and affects consequently both their catalytic performances in methane reforming and their resistance to poisoning by carbon deposition. In order to limit carbon formation on the catalytic surface and to increase the lifetime of catalysts during the catalytic reforming of methane, ceria supported nickel based-catalysts were doped with magnesium oxide (forming MgO-NiO solid solution) as well as with lanthanum oxide (La2O3-NiO). The obtained results show that the effect of promotion of NiO active phase by MgO and La2O3 decreases carbon deposition but also the catalytic performances. Physico-chemical properties and catalytic performances of NiO-Y2O3-ZrO2 (Ni-YSZ) prepared by the sol-gel process were compared with those of commercial (Aldrich and Jülich) materials having the same composition. The experimental results showed that materials synthesized by the sol gel method are more active in methane steam reforming than commercial catalysts while sol gel and commercial samples show similar performances in methane dry reforming. Amounts of graphitic carbon, although being higher for sol gel samples compared to commercial ones, remain low (< 2%). This carbon deposit provokes only a slight decrease of catalytic performances of sol gel prepared materials in methane dry reforming, probably by decreasing the number of active sites

L'énergie de liaison, la mobilité et la réactivité de l'oxygène dans des matériaux nanocristallins de type cérine-zircone dopée aux terres rares (La, Gd, Pr, Sm) supportant des métaux (Pt, Ni, Ru) ont été étudiées par échange isotopique en réacteurs statiques et traversés (18O2 and C18O2), DTP d'O2, RTP d'H2 et CH4, microcalorimétrie pulsée et réacteur TAP. La mobilité d'oxygène de coeur apparait comme contrôlée par le réarrangement des sphères de coordination des cations Ce et Zr et par des chemins préférentiels le long de chaines Pr3+/Pr4+. En surface et subsurface, ce contrôle se ferait par des interactions fortes métal/support avec l'incorporation de cations métalliques. Cette mobilité de l'oxygène limiterait le vieillissement et le frittage en conditions réalistes de reformage par le gaz carbonique. Des études cinétiques non stationnaires et par marquage isotopique ont permis de proposer un mécanisme bi-fonctionnel fondé sur des étapes rédox indépendantes pour l'activation du méthane et du dioxyde de carbone. L'étape limitante serait l'activation du méthane tandis que l'activation du gaz carbonique s'opérerait plus rapidement sur des sites réduits du support, générant de l'oxygène diffusant aisément vers l'interface métal/support (enthalpie de désorption 600-650 kJ/mol) pour oxyder les fragments du méthane en CO et H2. Dans les meilleures formulations catalytiques, des agrégats Ni-Ru faciliteraient l'activation du CO2 dans son état de transition, en marge de carbonates stables qui restent "spectateurs" de la réaction. Pour le Pt/PrCeZrO, il existerait une autre voie d'activation de carbonates faiblement adsorbés sur des ions Pt+ stabilisés par des cations Pr4+. Cette spécificité confère à cette formulation des perspectives très intéressantes en reformage à sec, notamment sur des supports structurés de type alumine corindon, bien adaptés à des réacteurs compacts à temps courts pour des ressources en gaz dispersées et de capacité limitée / Oxygen bonding strength, mobility and reactivity in nanocrystalline Ln-doped ceria-zirconia (Ln=La, Gd, Pr, Sm) with supported Pt, Ni, Ru were studied by state-of-the-art techniques such as isotopic exchange in static and flow reactors with 18O2 and C18O2, O2 TPD, H2 and CH4 TPR, pulse microcalorimetry and TAP reactor. Bulk oxygen mobility is found controlled by a rearrangement of Ce and Zr cations coordination sphere with doping as well as by fast oxygen migration along Pr3+/Pr4+ cationic chains. Surface and near-surface oxygen mobility appears controlled by a strong metal-support interaction with incorporation of metallic ions into surface layers and domain boundaries. In realistic feeds, the catalytic activity in dry reforming of methane correlates with oxygen mobility, required to prevent coking and metal sintering.Transient kinetic studies (non steady-state and SSITKA) allowed us to propose a bi-functional reaction mechanism corresponding to independent redox steps of CH4 and CO2 activation. The rate- limiting step is shown to be the irreversible activation of CH4 on metal sites, while CO2 dissociation on reduced sites of oxide supports proceeds much faster (being reversible for the steady-state surface) followed by a fast oxygen transfer along the surface/domain boundaries to metal sites where CH4 molecules are transformed to CO and H2. The CH4 selective conversion into syngas would involve strongly bound bridging oxygen species with heat of desorption ::600-650 kJ/mol O2. For optimized formulations, Ni+Ru clusters could be involved in CO2 activation via facilitating C-O bond breaking in the transition state, thus increasing the rate constant of the surface reoxidation by CO2, while strongly bound carbonates behave as spectators. For Pt/PrCeZrO, an additional fast route to syngas would occur on Pt ions with participation of weakly bound carbonates stabilized by neighboring Pr4+ ions. Such specificity makes this system highly promising for methane oxi-dry reforming, especially on structured corundum supports for short contact time compact reactors, well adapted to stranded and limited gas resources

Les procédés thermochimiques solaires étudiés concernent la conversion de charges hydrocarbonées solides ou gazeuses en syngas, ainsi que la réduction d’oxydes en métaux en utilisant l’énergie solaire concentrée pour effectuer les réactions endothermiques, permettant ainsi le stockage de l’énergie solaire intermittente en carburants sans émissions de CO2. Ce travail a pour objectif l’étude expérimentale de trois procédés solaires incluant la gazéification de biomasse, le reformage de méthane en boucle chimique, et la carboréduction de ZnO et MgO. La gazéification et le reformage permettent la valorisation de biomasse bois et de méthane en syngas, tandis que la carboréduction permet de produire Zn et Mg à partir de ZnO et MgO. Ces procédés ont été étudiés dans des réacteurs solaires de 1.5 kWth, en utilisant le rayonnement concentré fourni par des systèmes à concentration du laboratoire PROMES, Odeillo, France. L’impact des paramètres opératoires de chaque procédé sur les mécanismes réactionnels, conversion, rendement, et performances énergétiques a été évalué en détail. Ces procédés ont permis d’améliorer la conversion chimique, les rendements en syngas, les efficacités énergétiques tout en permettant un stockage de l’énergie solaire en combustibles transportables, avec des performances globales supérieures aux procédés conventionnels. De plus, leur faisabilité, fiabilité et robustesse pour la conversion de méthane et biomasse en syngas et la production de Mg et Zn en fonctionnement batch ou continu sous pression réduite ou atmosphérique en conditions solaires réelles ont été démontrés. / The investigated solar thermochemical processes consist of the thermochemical conversion of solid and gaseous carbonaceous feedstocks into syngas as well as metal oxides reduction into metal commodities utilizing concentrated solar energy to drive endothermic chemical reactions, thereby enabling intermittent solar energy storage into solar fuels and avoiding CO2 emissions. This work aims to experimentally investigate three key solar thermochemical conversion approaches regarding biomass gasification, chemical looping reforming of methane, and carbothermal reduction of ZnO and MgO. Solar gasification and solar chemical looping reforming allowed valorizing wood biomass and methane into syngas, while solar carbothermal reduction was applied to produce Zn and Mg from ZnO and MgO. Such solar thermochemical processes were performed in 1.5 kWth prototype solar chemical reactors, utilizing highly concentrated sunlight provided by a solar concentrator at PROMES laboratory, Odeillo, France. The impact of controlling parameters of each process on the reaction mechanism, conversion, yields, and process performance, during on-sun testing was investigated and evaluated thoroughly. Such processes were proved to significantly improve the chemical conversion, syngas yields, energy efficiency, with solar energy storage into transportable fuels, thereby outperforming the conventional processes. Moreover, their feasibility, reliability, and robustness in converting both methane and biomass feedstocks to syngas as well as producing Mg and Zn metals in batch and continuous operation under vacuum and atmospheric conditions during on-sun operation were successfully demonstrated.

Parmi les produits issus de la biomasse ou de la transformation des déchets organiques, le CO2 et le CH4 sont des intermédiaires chimiques importants qui ont de forts impacts environnementaux. En effet, ils sont les principaux gaz responsables de l'effet de serre et leur atténuation est un enjeu majeur. Une voie intéressante pour la valorisation de ces gaz est le reformage à sec du méthane (DRM), qui convertit le CO2 et le CH4 en gaz de synthèse (mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone). Ce mélange peut être utilisé pour plusieurs applications telles que la production de méthanol, d'éther diméthylique, d'hydrogène et des hydrocarbures liquides. Malgré cet intérêt, l'exploitation du DRM à l'échelle industrielle n'a pas encore vu le jour. La raison principale est la désactivation rapide des catalyseurs en raison des conditions sévères de fonctionnement du procédé (température élevée, dépôt de carbone). Cette thèse porte sur le développement de nouveaux catalyseurs à base de phosphate de calcium (CaP) dopés avec des métaux de transition pour la valorisation du CO2 et du CH4 en gaz de synthèse par DRM. Les CaP sont utilisés car ils possèdent des propriétés avantageuses en catalyse hétérogène comme la présence simultanée de sites acides et basiques, bonne stabilité thermique, large gamme de surface spécifique ... Dans un premier temps, des études sur les méthodes de synthèse de catalyseurs et sur la performance de différents métaux de transition (Zn, Fe, Co, Cu, Ni) ont été effectuées dans le but de sélectionner le catalyseur et sa méthode de préparation. Un réacteur à lit fixe capable de fonctionner à hautes température et pression a ensuite été testé pour un long temps de réaction afin d'évaluer correctement la performance des catalyseurs préparés. Ensuite, une étude paramétrique détaillée a été menée. L'influence des paramètres tels que le prétraitement des catalyseurs, la température (T = 400-700°C) et la pression (P = 1-25bar) de la réaction et les différents supports (hydroxyapatite, alumine) ont été étudiés. Enfin, la stabilité thermique et catalytique a été étudiée durant 300h de réaction. Les catalyseurs à base de CaP ont montré des rendements plus élevés en gaz de synthèse en comparaison aux catalyseurs commerciaux. Ces catalyseurs sont donc compétitifs dans les mêmes conditions opératoires (T = 700°C, P = 1bar, WHSV = 12272mLh-1gcat-1, t = 300h). Ce travail a montré l'intérêt des catalyseurs à base de CaP pour des processus à haute température, tel que le reformage à sec du méthane. / Among the products resulting from biomass or organic waste transformation, CO2 and CH4 are important chemical intermediates. They also have a strong environmental impact since they are primarily responsible for the greenhouse effect and their mitigation is a key issue. An attractive way of valorization of such gases is the dry reforming of methane (DRM), which converts CO2 and CH4 into syngas (mixture of hydrogen and carbon monoxide). This mixture can be used for several applications, such as the production of methanol, dimethyl ether, hydrogen and liquid hydrocarbons. Despite such interest, the exploitation of DRM on industrial scale has not emerged yet. The main reason is the rapid deactivation of the catalysts due to the severe operating conditions of the process (high temperature, carbon deposition). This thesis focuses on the development of new catalysts based on calcium phosphate (CaP) doped with transition metals for the valorization of CO2 and CH4 through DRM. Actually,CaP has advantageous properties in heterogeneous catalysis, as the simultaneous presence of acid and basic sites, good thermal stability, and wide range of surface area... Initially, a study on the catalyst synthesis methods and an investigation of the performance of different transition metals (Zn, Fe, Co, Cu, Ni) were carried out in order to select the catalyst system and the preparation method. Secondly, a fixed-bed reactor capable of operating at high temperature and pressure and for log time on stream was built and implemented during this work in order to properly evaluate the performance of the preparedcatalysts. Then, a detailed parametric study was conducted. The influence of parameters such as catalyst pre-treatment, temperature (T = 400-700°C) and pressure (P = 1-25bar) of the reaction and support (hydroxyapatite, alumina-based supports) were investigated. Finally, the catalytic stability was studied for 300h of time on stream (TOS). The CaP catalysts showing higher yields on syngas were compared to commercial catalysts. Our catalysts showed to be competitive in the same operating conditions (T = 700°C, P = 1bar, WHSV = 12272mLh-1gcat-1,TOS = 300h). This work shows the interest of CaP catalysts for high temperature process, such as dry reforming of methane.

La variation de 1.5 à 9nm du diamètre des particules de nickel supportées sur SiO2, réputé neutre, a permis de mettre en évidence l’absence d’effet de taille sur leurs activités dans le reformage à sec à basse température (RS-BT). A l’inverse du reformage à haute température, l’empoisonnement sélectif de Ni/SiO2 par l’étain n’a eu pour seul effet qu’une baisse de l’activité en reformage à 400-500°C, sans amélioration de la stabilité. Cependant, l’alliage du nickel avec le ruthénium a permis d’augmenter de façon significative la stabilité du nickel, en accord avec les résultats obtenus sur Ru/SiO2, alors qu’aucuns effets n’étaient observés sur NiPt0.1/SiO2. La silice a ensuite été dopé grâce à la formation de différents silicates de surface, tout en maintenant la taille des particules de Ni entre 2 et 3 nm. Une directe corrélation a été observée entre l’électronégativité du dopant et l’activité stationnaire en RS-BT, les lanthanides dominants. En l’absence de liens directs entre XPauling et la force d’adsorption du CO2 sur le support, un effet électronique du dopant sur le métal est considéré. L’évolution du TOFCO2 avec la charge en lanthane montre un maximum à 34% La en masse. A la chute importante d’activité observée pour La > ca. 50 % coïncide l’apparition de La2O3, connu pour sa capacité d’adsorption de CO2 et d’activation de H2/CH4. Enfin, de fines particules colloïdales de NiSix ont été utilisées pour la préparation de catalyseurs ayant une dispersion de nickel jusqu’à 75%. Ces particules présentent une remarquable stabilité contre le frittage qui a été attribué à la présence de silice autour des particules de nickel causée par la décomposition des nanosilicides / Low temperature dry reforming (LT-DR), < 600 °C, coupled with membrane technology to overcome thermodynamically low conversion, has drawn attention as an alternative approach to industrial 850-950°C operating conditions. The aim of this work has then been to design and develop nickel-based catalysts that are active and stable under LT-DR. In that context, we developed methods to prepare well-dispersed Ni nanoparticles on silica and to modify silica support, addressing detailed characterization at each step with various techniques (H2 & CO2 chemisorption, TPX, TEM, XRD, EXAFS, IR and NMR spectroscopy). We studied the effect of particle size, preparation methods (organometallic, colloidal… approaches), metal dopants and poisons for the support and the nanoparticles on the activity, selectivity and stability of the catalyst in LT-DR. Overall, we showed that supported Ni particles are indeed good candidate in LT-DR by comparison with noble metals, which are the reference catalysts for the corresponding High-Temperature DR. In particular, small Ni particles supported on lanthanum doped silica surface provided the best performances, while the use of pure lanthanide oxide or mixed oxide supports led to limited activity in Low-temperature DR. Finally, using a colloidal approach to synthesize Ni nanoparticles has proven to be very efficient and versatile, allowing one to deposit nickel particles with remarkable properties on any supports