Des catalyseurs massiques à base de Cu, Zn et Al ont été préparés par voie hydrotalcite afin d'être testés dans la réaction de vaporeformage du biométhanol pour produire de l'hydrogène. Pour les solides séchés CuxZn₆₋xAl₂, quel que soit la teneur en cuivre, la phase hydrotalcite a été révélée par différentes caractérisations physico-chimiques (DRX, MEB, ATD-ATG). La calcination des hydrotalcites permet de générer un mélange d'oxydes ayant des propriétés intéressantes telles le non-respect de la stoechiométrie, une stabilité thermique importante, une aire spécifique élevée. Le solide Cu₄Zn₂Al₂ HT calciné à 500°C présente les taux de conversion et les sélectivités en H₂ les plus élevés avec une faible formation de CO à hautes températures. Cette meilleure performance es due à la présenced'un optimum des espèces de cuivre réduites Cu⁺,CU⁰. Par ailleurs, un ensemble des solides supportés à base de cuivre utilisant l'hydrotalcite Zn-Al comme précurseur du support a été synthétisé. Les caractérisations des solides imprégnés ont montré leurs reconstructions partielles par "effet mémoire" sous forme hydrotalcite lors de l'imprégnation du Cu. La performance catalytique de ces solides calcinés dépend de la température de calcination du support hydrotalcite, de l'échantillon et de la teneur en cuivre imprégné. Le solide 10% Cu/Zn-Al (500) 500 présente la meilleure activité dans l'étude de vaporeformage du méthanol. Parallèlement, un mécanisme réactionnel, renfermant le formiate de méthyle et l'acide formique comme composés intermédiaires, a été proposé pour le vaporeformage du méthanol en présence de ces catalyseurs. / Some catalysts based on Cu, Zn and Al were prepared by hydrotalcite road to be tested in the steam reforming of biomethanol to produce hydrogen. For the dried solids CuxZn₆₋xAl₂, whatever the copper content, the hydrotalcite phase was revealed by different physico-chemical characterizations (XRD, SEM, DTA-GTA). The calcination of hydrotalcites allows to generate a mixture of oxides with interesting properties such non-respect of stoichiometry, high thermal stability, high surface area. The solid, Cu₄Zn₂Al₂ HT calcined at 500° C shows the highest conversion rates and selectivities of H₂ with a low formation of CO at high temperatures. This best performance is due to the presence of an optimum of copper species reduced Cu⁺,CU⁰. Furthermore, copper-based supported solids using Zn-Al hydrotalcite as a precursor of the support were synthesized. The characterization of impregnated solids showed their partial reconstructions by "memory effect" as hydrotalcite during impregnation of Cu. The catalytic performance of these calcined solids depends on the temperature of calcination of the hydrotalcite support, of the sample and of the impregnated copper content. The solid 10% Cu/Zn-Al (500) 500 presents the best activity in the study of steam reforming of methanol. Meanwhile, a reaction mechanism containing methyl formate and formic acid as intermediate compounds has been proposed for the steam reforming of methanol in the presence of these catalysts.

Après le traitement du gaz naturel, le méthanol est présent sous forme de traces. Notre objectif est de déterminer les propriétés thermodynamiques des mélanges “hydrocarbure(s) – méthanol“ aux conditions opératoires rencontrées lors du fractionnement du gaz naturel, à hautes et basses températures. En effet, les industries peuvent être pénalisées financièrement lorsque la teneur finale en méthanol dépasse 50 ppm molaire. Pour cela, nous souhaitons connaître les équilibres entre phases aux conditions spécifiques régnant dans ces unités. Peu de données existent pour de si faibles teneurs en méthanol. De plus, les modèles thermodynamiques utilisables sur l'ensemble du domaine de compositions ne permettent pas de représenter correctement les équilibres à dilution infinie. Un appareillage, basé sur une technique "statique-analytique" avec échantillonnages des phases et analyse par CPG est utilisé. A hautes températures, nous avons déterminé les coefficients de partage du méthanol. L'appareillage a été adapté au cours du temps, afin d'améliorer la quantification de traces de méthanol (inférieures à 1 000 ppm). Une procédure d'étalonnage originale tenant compte de l'adsorption du méthanol dans les circuits d'analyse a été mise au point. Les nouvelles mesures montrent qu'à l'incertitude expérimentale près, la pression totale du système ainsi que le coefficient de partage du méthanol sont seulement fonctions de la température. Les constantes de la loi de Henry ainsi que les coefficients d'activité à dilution infinie du méthanol sont calculés. A basses températures, nous souhaitons déterminer les valeurs limites de solubilité du méthanol dans les mélanges liquides : azote - hydrocarbure(s). Un appareillage est en cours d'adaptation pour réaliser ces mesures. Les nouvelles données serviront de bases au développement des simulateurs de procédés de fractionnement, en vue d'estimer le plus précisément possible les teneurs en méthanol dans les hydrocarbures produits.

Un certain nombre de réactions de décomposition des solides de la forme : S1 → S2 + |G| présentent un grand intérêt pratique. On peut citer la préparation des liants hydrauliques obtenus par déshydratation des hydrates salins. Ces réactions constituent aussi un procédé courant d'obtention de catalyseurs de synthèse pour la chimie industrielle : Les oxydes métalliques en particulier peuvent être obtenus par cette voie à partir des sels du métal (carbonates - hydroxydes - formiates, etc, ...). Malgré l'intérêt pratique de ces réactions leur mécanisme est souvent mal connu. L'hétérogénéité du système est responsable de cette méconnaissance car elle rend délicate les mesures dans la zone réactionnelle et ne permet pas toujours de maîtriser l'ensemble des paramètres qui influent sur la réaction. La plupart des études fondamentales consacrées aux réactions de ce type ont pour but de décrire l'évolution géométrique de l'interface réactionnel ou d'interpréter par des lois formelles les courbes d'évolution en fonction du temps. Nous avons cherché dans ce mémoire à progresser dans le sens d'une meilleure connaissance des processus chimiques qui affectent les réactions de décomposition des solides.

Malgré le mécanisme de base du transport protonique (PT) dans l'eau ait été proposé en 1806, à ce jour il n'existe pas de théorie complète qui décrive la protolyse. Ce phénomène est à la base du fonctionnement des batteries à hydrogène et de nombreux processus biologiques. Grâce à la technique de dynamique moléculaire Car-Parrinello (CPMD) et à l'aide de l'application d'un champ electrique (EF), une partie de cette thèse a été consacrée à l'étude du PT dans deux phase de la glace: la phase Ih et sa contrepartie ferroélectrique, la glace XI. Certains mécanismes ont été révélés: le rôle joué par les oxygènes lorsque se produit le PT et la contribution du (dés)ordre afin d'assister ce processus [1,2]. Le phénomène du PT est aussi à la base de nombreaux convertisseurs d'énergie constitués par le méthanol tels que le Direct Methanol Fuel Cells et les membranes Nafion. Afin de révéler la nature intime du PT dans le méthanol liquide, une série de simulations CPMD ont été menées sous l'effet d'un EF extérieur. De cette façon il a été possible de comparer le rôle joué par les liasons hydrogène afin d'assister le PT [3]. De plus, quand les intensités du champ sont plus élevées que celles qui donnent lieu au PT, certaines réactions chimiques ont été observées dans le même échantillon "numérique" du méthanol. En exploitant des paramètres typique de la "Théorie de la fonctionnelle de la densité conceptuelle", il a été possible de clarifier les conditions qui donnent lieu à ces réactions chimiques. Enfin, afin de quantifier la contribution du EF à la formation de méthane et de formaldéhyde dans le système, des simulations de métadynamique en conjonction à ceux ab initio ont été menées. / Although the basic mechanism of the proton transfer (PT) phenomenon in water has been envisaged in 1806, nowadays does not exist a detailed theoretical framework that envelop the protolysis process. This phenomenon is at the base of the operation of hydrogen batteries, as well as of many biological processes. Via the Car-Parrinello Molecular Dynamics (CPMD) technique and by means of the application of an electric field (EF), part of this thesis has been devoted to the detailed study of PT in two ice phases: ice Ih and its ferroelectric counterpart, ice XI. Several previously unknown mechanisms have been shown. As an example, the role played by the oxygens when a PT occurs and the contribution due to (dis)order in assisting this process [1,2]. The PT phenomenon is also at the base of the functioning of some methanol-based energy converters such as Nafion membranes. To the aim of disclosing the intimate nature of PT in liquid methanol, a series of CPMD simulations have been carried out by applying an external EF; the role played by the H-bond network have been also compared with the similar PT mechanism in water [3]. At field strengths higher than those leading to PT, several chemical reactions have been observed in this sample. By exploiting the conceptual Density Functional Theory framework, it has been possible to clarify the circumstances under which a given chemical reaction occurs. Moreover, in order to disclose the role played by the EF in assisting chemical reactions, the mechanism leading to the formation of formaldehyde and methane in the sample has been studied with metadynamics approaches in conjuction with the ab initio ones.

De nombreuses mesures pour réduire les émissions anthropiques de gaz à effet de serre et plus particulièrement de CO2, existent déjà, elles restent cependant insuffisantes. C’est dans ce cadre qu’a vu le jour le projet ANR VItESSE2 visant à développer un procédé de conversion de CO2,issu de certaines industries, en méthanol par réduction à l’hydrogène produit par électrolyse de l’eau à partir d’électricité fournie par des énergies faiblement émettrices de CO2 (énergie nucléaire et les énergies renouvelables). Ce procédé permet aussi d’assurer, une fonction de gestion du système électrique en reliant la production d’hydrogène aux quantités d’électricités disponibles sur le réseau. Les principaux objectifs de la thèse sont la synthèse et la caractérisation de catalyseurs performants ainsi que la mise au point des conditions réactionnelles conduisant à la meilleure productivité en méthanol. L’optimisation des systèmes catalytiques a permis de développer un catalyseur de type CuO-ZnO-ZrO2 compétitif par rapport aux catalyseurs commerciaux actuellement sur le marché. / Numerous measures to reduce anthropogenic emissions of greenhouse gases, especially CO2, already exist; however they are still insufficient. It is in this context that the ANR project VItESSE2 emerged to develop a method for converting CO2 produced by industries. The aim of this project is to transform CO2 into methanol, by reduction with hydrogen produced by water electrolysis using electricity provided by decarbonised energies (nuclear and renewable energies). This process also allows to secure a management function of the electrical grid by connecting the production of hydrogen to the available quantity of electricity in the network. The main objectives of this thesis are the synthesis and the characterization of efficient catalysts for CO2 hydrogenation into methanol and the development of reaction conditions leading to improved methanol productivity. The optimization of catalyst systems allowed to develop a CuO-ZnO-ZrO2 catalyst competitive in relation to commercial catalysts currently on the market.

La conversion du méthanol par les zéolithes est l'une des applications les plus prometteuses pour l'obtention d'hydrocarbures (oléfines, essences, gasoils) à partir de sources alternatives au pétrole (gaz naturel, charbon, biomasse). Dans cette thèse, un procédé catalytique multi-étapes permettant la conversion du méthanol en hydrocarbures à longue chaîne a été imaginé.Le méthanol est converti en oléfines légères par différents catalyseurs zéolithiques dans un réacteur à lit fixe sous flux continu et en phase gazeuse. L'utilisation de la ferrierite dessilicatée, de la chabazite désaluminée, de la MCM-22 et de la MCM-36 est détaillée. Les oléfines inférieures sont ensuite oligomérisées. L'oligomérisation de l'éthylène catalysée par des solides mésoporeux de type MCM-41 échangés au nickel et la co-oligomérisation des oléfines inférieures par catalyse acide sur H-MCM-41 ont été étudiées. Ces réactions ont été mises en oeuvre dans un autoclave semi-continu de type slurry. / Methanol conversion into hydrocarbons (olefins, gasoline and diesel fuel) over zeolites is one of the most promising applications involving non-oil based sources (natural gas, coal, and biomass). In this thesis, a multi-step catalytic process for converting methanol into long-chain hydrocarbons has been designed.Methanol was converted into light olefins by different zeolitic catalysts in a fixed bed reactor under continuous flow in gas phase. The use of dessilicated ferrierite, dealuminated chabazite, MCM-22 and MCM-36 has been investigated. Then, the lower olefins were oligomerized. The oligomerization of ethylene catalyzed by nickel exchanged mesoporous MCM-41 and co-oligomerization of lower olefins by H-MCM-41 acid catalyst were studied. These reactions were performed in a gas-slurry reactor operating in semi-batch mode.

Notre société s’est considérablement développée grâce à l’utilisation des ressources fossiles. L’utilisation de ces ressources, dans le domaine de l’énergie ou de l’industrie chimique, provoque un dérèglement du cycle naturel du carbone par l’accumulation dans l’atmosphère d’un CO2 anthropogénique. Pour pallier ces difficultés, une des solutions envisagées consiste à abandonner progressivement les hydrocarbures fossiles au profit de ressources carbonées renouvelables telles que le CO₂ pour le stockage des énergies renouvelables et/ou comme sources de produits chimiques. Les premières briques obtenues grâce au CO2 sont des molécules comportant un seul atome de carbone, rassemblées dans la classe de composés C1. Elle comprend le méthane (CH4), le monoxyde de carbone (CO), le méthanol (CH3OH), l’acide formique (HCOOH). Ces réactions ne sont pas idéales, limitées par leur praticité, leur rendement ou par leur sélectivité. Dans ce contexte, le présent travail doctoral a exploré des chemins alternatifs permettant d’interconvertir ces composés pour offrir des voies de valorisation du CO2. En premier lieu, l’utilisation de HCOOH sera proposé comme vecteur de CO. Cette thématique est née de l’intérêt grandissant pour le secteur de la chimie organique d’obtenir des sources liquides ou solides de CO. Dans un second temps, il a été développé une nouvelle stratégie de dismutation pour accéder au CH3OH à partir de dérivés de HCOOH, les formiates de silicium. Ces réactifs permettent de s’affranchir de la limitation thermodynamique dont souffre la dismutation de HCOOH. Cette transformation a été assurée en maîtrisant le recyclage des coproduits silylés. Une nouvelle voie de production de CH4 a également été développée à partir du CH3OH, en utilisant HCOOH comme réducteur. Enfin, les connaissances acquises sur l’activiation et la réactivité du CO2 ont permis, par analogie, de transposer ces connaissances à l’étude d’autres molécules iso-électroniques, telles que les carbodiimides et leur transformation en isourées dans des conditions organocatalytiques. / Our society has grown considerably thanks to the use of fossil resources. The use of these resources, in the field of energy or the chemical industry, leads to a disruption of the natural carbon cycle caused by the accumulation of an anthropogenic CO2 in the atmosphere. To overcome this issue, one of the conceivable solutions is to gradually abandon fossil hydrocarbons in favor of renewable carbon resources such as CO₂ for the storage of renewable energies and / or as a source of chemical products. The first building blocks obtained from CO2 are one carbon atom containing molecules, known as C1 compounds. It includes methane (CH4), carbon monoxide (CO), methanol (CH3OH), formic acid (HCOOH). These reactions are limited by their practicality, their yield or by their selectivity. Therefore, they are not an ideal solution to the initial problem. In this context, this doctoral work has explored alternative ways of interconverting these compounds to offer CO2 recovery pathways. In the first place, the use of HCOOH was proposed as a CO vector. This topic is born of the growing interest for the organic chemistry sector to obtain liquid or solid sources of CO. In a second step, a new disproportionation strategy was developed to access CH3OH from HCOOH derivatives, the silicon formates. These reagents allow to avoid the thermodynamic limitation related to the disproportionation of HCOOH. The control of the silylated by-products recycling enabled the success of this transformation. A new CH4 production route was also developed from CH3OH using HCOOH as a reducing agent. Finally, the knowledge acquired on CO2 activation and reactivity enabled a transposition by analogy to other iso-electronic molecules, including carbodiimides in order to form the isoureas under organocatalytic conditions.

Depuis maintenant plus de trois décennies, le catalyseurs d oxydation et particulièrement les pérovskites sont étudiés pour leur activité en oxydation des composés organique volatils (COV). Malgré leur faible surface spécifique, les pérovskites présentent des activité tout à fait comparables aux catalyseurs traditionnels de type métaux nobles. Cet inconvénient a eu pour effet la mise au point de nouvelles méthodes de synthèse avec un but commun: accroître la surface spécifique de ces solides. Étant donné l'effet néfaste de l ' énergie thermique pour la cristallisation des pérovski tes, l'élaboration de voies de synthèse à basse température a été largement étudiée. Ce critère de température fait que le broyage réactif est une méthode potentielle pour la préparation de pérovskites avec une large surface spécifique. Plusieurs études ont été rapportées dans la littérature concernant les effets des cations A et B, dans la structure pérovskite AB03, pour l'oxydation de certains COY comme le CO et le CH4 . Cependant peu de travaux ont été réalisés sur l'oxydation catalytique du méthanol. C' est pourquoi la première partie de ce travail a été consacrée à l'étude de l'effet du cation B, dans la structure pérovskite, pour l'oxydation du méthanol. Un mécanisme d'oxydation du méthanol a été élaboré à partir des caractérisations de surface effectuées sur des pérovskites LaB03 (B = Co, Mn, Fe) préparées par broyage réactif. Ce mécanisme montre que la densité en oxygène à la surface du catalyseur est un paramètre essentiel pour l'oxydation du méthanol. Les carbonates mono- et bidentates ont été indentifiés comme les deux principaux intermédiaires réactionnels de ce mécanisme. Dans une seconde partie le changement de la terre rare a montré l'importance de l'électronegativité de la surface sur la stabilité des intermédiaires de réaction. Le rôle du 2 manganèse (IV) et des oxygènes sur-stoéchiométriques de la structure pérovskite AMn03 (A = Y, La, Pr, Sm, Dy) sur l'oxydation du méthanol a également été mis en évidence. Enfin dans la dernière partie de ce travail les effets des substitutions partielles, du lanthane par le cérium et du cobalt par le fer, sur la mobilité des oxygènes de la structure pérovskite ont été di scutés. Cette étude indique que le cérium joue un rôle de promoteur sur la mobilité de l'oxygène alors qu'inversement le fer tend à ralentir le transport de l' oxygène. Ainsi la présence de cérium et de fer dans la structure pérovskite influence l'activité catalytique de ces solides pour l'oxydation des COV.

La photocatalyse est un procédé d’oxydation avancé très intéressant puisqu’il ne nécessite l’ajout d’aucun réactif chimique. Beaucoup de compagnies souhaitent utiliser ce procédé pour le traitement des gaz et des eaux. Les services Exp inc. est une compagnie qui s’intéresse à la dégradation des composés organiques volatils en milieu aqueux. Ils ont comme objectif d’améliorer leurs technologies et d’en développer de nouvelles comme la photocatalyse. L’objectif ce de projet de maîtrise est de développer un matériau capable d‘oxyder le méthanol en phase aqueuse. Le développement d’un tel photocatalyseur permet d’évaluer systématiquement l’impact de toutes les modifications apportées à un matériau de base et d’en comprendre les bénéfices. Le matériau préparé est basé sur des nanotiges de WO3 synthétisées par voie hydrothermale où l’on ajoute des nanoparticules de TiO2 pour former un composé mixte. Un co-catalyseur de réduction, le platine, est ajouté par photodéposition sur le composé TiO2/WO3. Le produit est finalement traité à l’hydrogène pour en augmenter l’activité catalytique. Pour tester les matériaux, un réacteur photocatalytique a été conçu. Le réacteur possède deux configurations, soit une avec une lampe ultraviolette plongée dans l’eau et une avec une bande de diodes électroluminescentes bleues autour du réacteur. Les modifications, telles que le traitement sous hydrogène et l’ajout de platine, augmentent considérablement l’activité des photocatalyseurs. Les nanotiges de WO3 possèdent une faible surface spécifique offrant donc une activité inférieure à un autre composé avec plus de surface. L’activité des photocatalyseurs est plus faible que celles desprocédés utilisant du peroxyde. Cependant, plusieurs avantages sont remarqués. La photocatalyse se fait à pH neutre et il est possible d’utiliser de la lumière visible. Un matériau photocatalytique basé sur des nanoparticules de WO3 à haute surface spécifique avec du TiO2, du platine et traité à l’hydrogène pourrait offrir une avenue intéressante pour Exp inc.

Le travail a consisté, en premier lieu, à vérifier l'électro activité sur platine en milieu acide de l'éthylène glycol et du glycérol. Ces deux polyols sont actifs et l'activité est fonction de la concentration pour l'éthylène glycol. Des essais de diffusion ont aussi montré que ces deux alcools diffusent à travers une membrane de Nafion 117. Par la suite, les trois combustibles, incluant le méthanol, ont été alimentés dans une pile PEMFC. Les trois combustibles permettent d'obtenir une densité de courant, mais plus la molécule est grosse, plus le potentiel enregistré, à une densité de courant donnée, est faible, ce qui est en accord avec les résultats obtenus en voltammétrie cyclique dans ce travail. En augmentant la température, les réactions d'oxydation et de réduction à la cathode se produisent plus rapidement et permettent d'obtenir, pour une densité de courant fixe, une valeur du potentiel plus élevée, malgré une diffusion du combustible à travers le Nafion 117 promue à plus haute température. Lorsque la concentration a été augmentée, il y a eu diminution du potentiel à basse densité de courant due aux surtensions de concentration, mais le transfert de matière amélioré permet d'augmenter, globalement, les performances de la pile. Lorsque la pression d'oxygène a été augmentée à la cathode, les performances ont peu varié.