Academic literature on the topic 'Couplage photochimique du méthane'

Un processus photo-chemo-catalytique en cascade à un pot pour l'oxydation du méthane en acide formique a été proposé. Un photocatalyseur spécialement conçu et un catalyseur hétérogène commercial ont été utilisés ensemble dans le processus en cascade. La conversion sélective du méthane en acide formique s'effectue d'abord sur le sel de césium de l'acide phosphotungstique (CsPW) supporté par l'oxyde de titane, qui oxyde le méthane par photocatalyse sous irradiation en un mélange de composés oxygénés liquides C1. Les composés oxygénés liquides C1 produits par photocatalyse sont ensuite convertis sélectivement en acide formique sur le catalyseur hétérogène au ruthénium supporté par de l'alumine. Toutes les réactions d'oxydation sélective du méthane en acide formique ont lieu dans le processus en cascade à température ambiante dans le même réacteur. Le processus en cascade a produit de l'acide formique avec une productivité de 5000 μmolacide formique g-1photocatalyseur et une sélectivité de 85 %, ainsi qu'une concentration allant jusqu'à 1.1 mmol L-1.Des nanoparticules d'or d'une taille de 6 à 29 nm supportées sur de l'oxyde de titane ont été préparées pour le couplage photocatalytique non oxydant et oxydant du méthane dans des réacteurs à flux gazeux discontinus et continus. La performance photocatalytique n'est pas affectée par la taille des nanoparticules. La conversion du méthane nécessite une transition de bande interdite dans le TiO2 excité par une irradiation UV. Aucune conversion du méthane n'a été observée après l'activation des nanoparticules d'or plasmoniques par la lumière visible. L'effet plasmonique des nanoparticules d'or ne peut pas à lui seul conduire la conversion photocatalytique du méthane. L'activation et l'oxydation du méthane se produisent sur les lacunes en oxygène de l'oxyde de titane, tandis que l'oxygène est probablement activé par les nanoparticules d'or. La conversion du méthane a été facilitée par une recombinaison électron-trou plus lente en présence de nanoparticules d'or. Une productivité d'hydrocarbures de 1864 μmol g-1 h-1 avec une sélectivité de couplage supérieure à 86 % a été atteinte dans le procédé de couplage oxydatif continu du méthane en flux.Le sel d'argent de l'aicd phosphotungstique (AgPW) supporté sur l'oxyde de titane a été préparé pour le couplage photochimique du méthane. La conversion du méthane nécessite une transition de bande interdite à la fois dans l'AgPW et le TiO2 par irradiation UV ainsi que le transfert de charge entre eux avec un contact intime. L'introduction d'une petite quantité d'AgPW dans le TiO2 a considérablement augmenté le taux de couplage. Au cours du couplage photochimique du méthane, les espèces Ag+ cationiques ont été réduites en Ag métallique et ont entraîné une diminution de la photoactivité, tandis que les espèces Ag+ et la photoactivité peuvent être régénérées à partir de l'AgPW-TiO2 usagé exposé à la lumière en présence d'air. Le procédé de bouclage chimique a permis d'atteindre une production d'éthane de 64 μmol g-1 avec une sélectivité de couplage supérieure à 95 %
A cascade one-pot photo-chemo-catalytic process for methane oxidation to formic acid has been proposed. A specifically designed photocatalyst and a commercial heterogeneous catalyst were used together in the cascade process. The methane selective conversion into formic acid proceeds first over caesium salt of phosphotungstic acid (CsPW) supported on titania, which photocatalytically oxidizes methane under irradiation into a mixture of C1 liquid oxygenates. The C1 liquid oxygenates produced by photocatalysis are then selectively converted into formic acid over the heterogeneous alumina supported ruthenium catalyst. All reactions of selective oxidation of methane to formic acid occur in the cascade process at room temperature in the same reactor. The cascade process produced formic acid with a productivity of 5000 μmolformic acid g-1photocatalyst and a selectivity of 85 %, as well as a concentration of up to 1.1 mmol L-1.Gold nanoparticles with a size from 6 to 29 nm supported on titania have been prepared for photocatalytic non-oxidative and oxidative methane coupling in both batch and continuous gas flow reactors. The photocatalytic performance is not affected by the nanoparticles size. The methane conversion requires band gap transition in TiO2 excited by UV irradiation. No methane conversion was observed after activation of plasmonic gold nanoparticles by visible light. The plasmonic effect of gold nanoparticles cannot alone drive the methane photocatalytic conversion. The methane activation and oxidation occur over titania oxygen vacancies, while oxygen is likely activated by gold nanoparticles. The methane conversion was facilitated by slower electron-hole recombination in the presence of gold nanoparticles. A hydrocarbon productivity of 1864 μmol g−1 h−1 with a coupling selectivity higher than 86% was achieved in the continuous oxidative methane coupling flow process.Silver salt of phosphotungstic aicd (AgPW) supported on titania has been prepared for photochemical methane coupling. The methane conversion requires band gap transition in both the AgPW and TiO2 by UV irradiation as well the charge transfer between them with intimate contact. Introducing even small amount of AgPW to TiO2 significantly enhanced the coupling rate. During photochemical methane coupling, cationic Ag+ species were reduced to metallic Ag and resulted in photoactivity decrease, while Ag+ species and photoactivity can be regenerated from the spent AgPW-TiO2 exposing to light in the presence of air. The chemical looping process achieved ethane production of 64 μmol/g with coupling selectivity above 95%

Les polymères 2D (2DP) se distinguent des polymères linéaires conventionnels par le fait qu’ils s’étendent sur deux dimensions. Bien qu’il soit possible par exfoliation d’isoler des feuilles de polymère à partir, par exemple, d’un matériau cristallin présentant des feuillets, il reste difficile d’obtenir par synthèse organique une structure 2D ordonnée dans l’espace. Il est réaliste de penser que les propriétés d’un polymère bidimensionnel soient nettement différentes de ceux ayant une structure unidimensionnelle et que ces mêmes propriétés pourraient permettre l’application des 2DP dans le domaine des semi-conducteurs, des senseurs ultra-sensibles, des matériaux optoélectroniques, de la médecine, des machines moléculaires ou même comme membrane nanoporeuse. Nos recherches ont porté sur l’élaboration d’un monomère organique capable de polymériser sur deux dimensions pour générer un polymère bidimensionnel selon la définition et les critères de Schlüter. Les objectifs de ce projet sont donc de concevoir et de synthétiser un monomère organique, de l’assembler sur deux dimensions, d’initier sa polymérisation de façon contrôlée, d’exfolier la structure d’épaisseur monomérique et de caractériser cette dernière. Trois structures sont présentées dans le cadre de ce mémoire. La première est un monomère amphiphile composé d’un fullerène (C60) hydrophobe et de chaines triéthylène glycol monométhyléther hydrophiles. Cet assemblage est orienté sur cuve Langmuir-Blodgett et polymérisé par cycloaddition [2+2] des unités fullerènes. La deuxième structure est un dérivé du poly(pphénylènetéréphtalamide) (PPD-T). Son organisation est effectuée par filage en milieu humide en phase cristal liquide et sa polymérisation par addition 1,4 des diacétylènes. La dernière macromolécule est, elle aussi, un dérivé du PPD-T comportant de nouvelles fonctionnalités qui permettront sa mise en oeuvre efficace.

Le mecanisme du couplage oxydant du methane a ete etudie sur un oxyde de lanthane (caracterise par xps, ftir, xrd, tem, sem) en utilisant les techniques de cinetique rapide avec marquage isotopique sur reacteur dynamique (equilibre ch#4/cd#4, transitoires a l'etat stationnaire) et la technique pulsee sur reacteur tap. Le schema mecanistique suivant a ete propose. Le methane gazeux s'active soit reversiblement et heterolytiquement sur des sites acido-basiques la#3#+-o#2#, soit irreversiblement et homolytiquement sur des sites fortement basiques de type o# pour former un radical methyle. Les sites o# sont issus de l'activation dissociative de l'oxygene sur une paire (o#2#, lacune anionique). La grande mobilite de l'oxygene de reseau fait que ces sites ne sont pas localises. Le couplage des radicaux methyles en ethane s'opere en phase gaz et l'ethane peut etre deshydrogene par la suite en ethylene. L'origine du monoxyde de carbone est probablement liee a une oxydation en phase gaz des hydrocarbures. Le dioxyde de carbone provient de l'oxydation des radicaux methyles par une succession d'etapes de surface, faisant intervenir des groupements methoxy puis carbonates. Les sites impliques seraient des sites faiblement coordines, localises sur les defauts de structure des particules. Ce schema mecanistique a permis d'elaborer un schema cinetique general de la reaction, avec modelisation des equations cinetiques et optimisation des principaux parametres

Nous avons étudié des catalyseurs conducteurs ioniques de type zircones pures et dopées dans la réaction de couplage oxydant du méthane (c. O. M. ). La caractérisation par les techniques du potentiel de surface et de conductivité ionique a permis une compréhension des mécanismes réactionnels. Les tests catalytiques mettent en évidence l'influence bénéfique d'ajout de dopant y et ca au sein de la zircone, sur la sélectivité en éthane et en éthylène. La limitation cinétique hétérogène du rendement a été constatée en test catalytique et en potentiel de surface. En effet, les c#2, produits de la réaction, réagissent toujours plus rapidement que le méthane (réactif). Au niveau de la sélectivité de c#2h#6 et c#2h#4, on observe une inversion du produit majoritaire avec l'augmentation de température, phénomène qui se corrèle avec des mesures de potentiel de surface. Les résultats cinétiques ont permis de développer un modelé de réaction successive d'ordre 1 que nous avons applique aux catalyseurs étudiés. Il permet de calculer la sélectivité des produits c#2h#6, c#2h#4 et cox en fonction de la conversion en méthane et des rapports des constantes de vitesse = k#c#2#h#6/k#c#h#4 et = k#c#2#h#4/k#c#2#h#6. Nous avons également, en ce qui concerne l'oxygène, propose un modelé de mécanisme à deux sites qui rend compte des différents résultats obtenus.

Les importantes réserves de gaz naturel – avérées ou potentielles – font de cet hydrocarbure un substitut plausible du pétrole pour la production d'hydrocarbures liquides. Cependant la plupart des réserves de gaz découvertes à l'heure actuelle sont de taille réduite et dispersées loin des sites de transformation ou de consommation. Le couplage du réformage (RM) et du couplage oxydant du méthane (OCM) dans un réacteur à microcanaux permettrait de rendre viable l'exploitation de ces réserves grâce à des coûts opératoires de transformation du gaz naturel réduits par rapport aux usines actuelles. De plus, l'utilisation de ce type de réacteurs compacts réduirait fortement la taille des usines de transformation du méthane. L'intégration de réactions de réformage du méthane en microréacteur a déjà été étudiée et des systèmes stables et performants ont été développés. En revanche, aucune étude n'a été faite sur le comportement de l'OCM dans ces réacteurs. Il a cependant été prouvé que ce procédé est basé sur un équilibre sensible entre réactions de surface et réactions en phase gazeuse. Or l'efficacité thermique des microréacteurs est liée au très grand rapport surface sur volume de gaz au sein des microcanaux par rapport à des réacteurs en lit fixe. L'étude présente de l'influence de la conception des réacteurs sur les performances du système OCM montre qu'une contribution trop importante de la surface catalytique est négative pour l'activité et la sélectivité des catalyseurs OCM. La comparaison des catalyseurs en poudre ou en revêtement a montré que seule la géométrie des réacteurs – soit le rapport volume de phase gaz sur surface catalytique (rapport V/S) – avait une influence sur les performances du système catalyseur + réacteur. L'utilisation de ce paramètre montre en effet que le type du réacteur choisi n'a aucun effet sur les performances de la réaction d'OCM à rapport V/S constant. L'influence positive d'une augmentation du rapport V/S sur les performances du système est en revanche limitée à cause de la faible durée de vie des radicaux en jeu dans l'OCM. L'utilisation du paramètre V/S a en revanche permis d'estimer la géométrie idéale des canaux d'un microréacteur à travers leur diamètre. Deux types très distincts de catalyseurs OCM ont été sélectionnés pour cette étude, conduisant soit à une activité réduite mais une plus grande sélectivité en éthylène soit l'inverse selon la composition et la structure/texture de ces catalyseurs. Au maximum de leurs productivités en éthylène respectives, le catalyseur au lanthane présente une productivité quatre fois plus importante que le catalyseur basé sur le système Mn-W-Na. La différence d'activité des deux catalyseurs étudiés peut s'expliquer par la densité en site actifs de chaque catalyseur. Celui au lanthane est uniquement constitué d'éléments actifs (La, Sr and Ca) contrairement au catalyseur Mn-W-Na dont la surface est en partie constituée de silice inerte. De plus le système Mn-W-Na présente des surfaces spécifiques en général cinq fois inférieures au catalyseur au lanthane. Cependant, les sites actifs du catalyseur au lanthane ne sont pas tous sélectifs envers la production de C2 et sont en revanche très actifs envers la production de précurseurs de COx. Un catalyseur OCM idéal associerait donc la densité de sites actifs du catalyseur au lanthane avec la sélectivité des systèmes Mn-W-Na. La concentration en éléments actifs pour ce système Mn-W-Na a donc été augmentée progressivement. Il s'est avérée que cette augmentation améliorait l'activité de ces catalyseurs par rapport à ceux référencés dans la littérature mais que l'amélioration était limitée au-delà d'une certaine concentration. deux fois inférieure à celle du catalyseur au lanthane soit quatre fois plus importante que le catalyseur référencé dans la littérature [etc…]

Le couplage oxydant du méthane (OCM) permet la transformation directe du méthane en éthylène (C2). A ce jour, le procédé catalytique n'atteint pas les critères requis de sélectivité et de rendement. La présence d'oxygène gazeux à haute température (T>700°C) favorise l'oxydation totale. L'utilisation d'un réacteur à membrane (RM) dense, composé de matériaux conducteurs ioniques et électroniques limite la présence de O2(g) dans le compartiment de réaction améliorant ainsi la sélectivité en C2. Cette thèse a pour cadre le développement de membranes catalytiques ayant un flux d'oxygène assez élevé pour atteindre une conversion supérieure à 25% et dont le revêtement catalytique entraine une sélectivité en C2 à 80%. Une méthode innovante, basée sur une approche microcinétique, a été développée pour déterminer le flux d'oxygène à travers les membranes à partir de mesures sur les poudres correspondantes (échange isotopique et ATG). Les constantes d'adsorption et de diffusion obtenues sont ensuite intégrées dans une équation de flux simulant la semi-perméabilité. Cette méthodologie, validée sur trois matériaux : Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF), La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.δ et Ba0.95La0.05FeO3-δ, permettra d'accélérer la découverte de nouveaux matériaux conducteurs d'oxygène. Les tests d'OCM ont été réalisés sur une membrane BSCF modifiée en surface par une couche mince catalytique. Deux catalyseurs ont été sélectionnés : Mn/NaWO4 très sélectif et LaSr/CaO très actif. Le rendement en réacteur membranaire est limité à 6%. Une analyse critique a été réalisée afin de concevoir une géométrie de réacteur membranaire optimale pour cette réaction
The oxidative coupling of methane (OCM) allowed the direct transformation of methane into ethylene (C2). Until now, the catalytic process does not reach the required criteria of selectivity and yield. The presence of gaseous oxygen at high temperature (T>700°C) favors the total oxidation. The use of a dense membrane reaction (MR), made of mixed ionic and electronic materials, limits the gaseous oxygen in the reaction compartment and thus improve the C2 selectivity. The goal of this PhD is to develop catalytic membranes exhibiting a flux high enough to reach a conversion higher than 25% and of which the catalytic coating leads to a C2 selectivity of 80%. An innovative method, based on a microkinetic approach, has been developed to determine the oxygen flux across a membrane from measurements on corresponding powders (isotopic exchange and TGA). The adsorption and diffusion constants obtained are then introduced in the flux equation simulating the semi-permeability. The methodology, validated on three materials: Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF), La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.δ et Ba0.95La0.05FeO3-δ, will allow to accelerate the discovery of new oxygen conducting. The OCM tests have been achieved on BSCF membrane modified by a thin layer of catalyst. Two catalysts have been selected: Mn/NaWO4 highly selective and LaSr/CaO highly active. The yield in membrane reactor cannot overstep 6%. A critical analysis has been achieved in order to design an optimal membrane reactor geometry for this reaction

La spectroscopie cw-CRDS (continuous wave-Cavity Ring-Down Spectroscopy) est une technique d’absorption très sensible utilisée pour identifier et quantifier des espèces en phase gazeuse à des concentrations faibles et avec un temps de réponse très court. Nous avons développé une chambre de simulation atmosphérique (110 L) équipée d’un spectromètre cw-CRDS dans le proche IR (~ 1,5 µm), permettant la détection in situ du radical hydroperoxyle HO2, et d’autres espèces d’intérêt atmosphérique. Nous avons démontré les performances de ce dispositif original en étudiant deux systèmes réactionnels. Le premier système étudié est la photolyse du méthyle nitrite (CH3ONO), qui génère des radicaux OH. Le HONO issu de la réaction OH + CH3ONO a été identifié et quantifié pour la première fois, ce qui constitue une avancée importante dans la connaissance de cette réaction. La formation du HONO et du CH2O, produit majoritaire de la photolyse, a été étudiée dans différentes conditions expérimentales. Dans un deuxième temps, l’oxydation du méthanol dans l’air par les atomes de chlore Cl a été étudiée. Le radical HO2 a été observé pour la première fois par cw-CRDS in situ dans une chambre de simulation atmosphérique. La cinétique de disparition de HO2 a été étudiée, confirmant la valeur de la constante de vitesse de la réaction mutuelle ; une perte significative sur les parois de réacteur a été observée à très basse pression. La mesure des taux de photolyse du NO2, du CH3ONO et du Cl2 par différentes méthodes a permis de caractériser le dispositif expérimental développé dans ce travail
The continuous wave-Cavity Ring-Down Spectroscopy (cw-CRDS) is a very sensitive absorption technique used to selectively identify and quantify gaseous species at low concentrations and with a short acquisition time. We have developed an environmental chamber (110L) coupled with a near-IR cw-CRDS spectrometer for the detection of HO2 and other gaseous species. In order to demonstrate the performance of this setup, we have investigated two reaction systems. The first study concerns the methyl nitrite (CH3ONO) photolysis, which is known to generate OH radicals. The HONO product in the OH + CH3ONO reaction has been identified and quantified for the first time, which represents a very important step in the comprehension of this reaction. The formation of HONO and CH2O (a major product in the CH3ONO photolysis) has been studied under different experimental conditions. Secondly, the oxidation of methanol in air by chlorine atoms has been investigated. The HO2 radical has been observed for the first time by in-situ cw-CRDS in an environmental chamber. The kinetics of HO2 disappearance has been studied and the results confirm the rate constant value of the HO2 self reaction. A rather significant loss of HO2 on the walls of reactor has been observed at low pressure. Finally, the measurement of the photolysis frequencies of NO2, CH3ONO and Cl2 by various methods has allowed characterizing the experimental device developed in this work

La production de méthane à partir des champs hydratifères des fonds océaniques est un procédé promis à se développer et à atteindre l'échelle industrielle au cours des dix prochaines années. Cependant, les premiers essais d'extraction de méthane se sont révélés infructueux et difficiles à mener. Le phénomène de dissociation des hydrates de méthane au sein d'une matrice poreuse reste mal connu et maîtrisé: la fusion des hydrates de méthane engendre des écoulements de fluide et des transferts thermiques au sein d'un milieu poreux. Les propriétés de ce milieu poreux évoluent donc avec la disparition de la phase hydrate et la présence éventuelle d'une phase glace au cours de la dissociation. Les transferts de masse et de chaleur doivent donc être couplés, afin de tenir compte premièrement du changement de la perméabilité et deuxièmement de l'évolution de la conductivité thermique du système.
Dans cette étude, les transferts de masse et de chaleur ont été étudiés numériquement et expérimentalement. Un modèle numérique 2D est proposé dans lequel les transferts de chaleur et de masse gouvernent la dissociation des hydrates de méthane. Les résultats numériques montrent la présence de gradients de pression et de température au sein du milieu poreux et l'évolution de la frontière de dissociation selon le type de sédiment utilisé. Ce modèle est utilisé afin de dimensionner un dispositif expérimental de dissociation de carottes sédimentaires partiellement saturées en hydrates de méthane qui permet un suivi précis de la cinétique de dissociation.
Le montage expérimental est composé de cinq zones cylindriques de même diamètre (1/2 inch) mais de tailles différentes (pour une longueur totale de 2,6 m). Chaque zone est contrôlée en pression et en température. Chaque expérience consiste en une cristallisation d'hydrates de méthane au sein d'un milieu poreux, puis en une dissociation de ces mêmes hydrates par une méthode de contrôle de la pression à une extrémité du dispositif. La cinétique de dissociation est étudiée par le suivi de la pression dans un ballast (situé en aval du dispositif). Les résultats obtenus, via une étude paramétrique, permettent de cibler les paramètres clés de la dissociation de ces hydrates sédimentaires et d'observer leur impact sur la cinétique de dissociation. Deux régimes bien distincts de dissociation sont mis en évidence et caractérisés selon les propriétés du sédiment partiellement saturé en hydrates de méthane. Le rôle de la glace au cours de la dissociation est également étudié pour ces deux types de dissociation.
Enfin, la correspondance des résultats numériques et expérimentaux est mise en évidence par comparaison de courbes de cinétique de dissociation et de courbes d'évolution de la pression au sein du milieu poreux.

La conversion du méthane, principal constituant du gaz naturel, en produits valorisables et facilement transportables constitue un enjeu économique important. La réaction de couplage oxydant du méthane est une des voies les plus étudiées pour sa transformation directe en hydrocarbures supérieurs. Le rendement obtenu étant trop faible pour envisager une exploitation industrielle, il est nécessaire de mieux comprendre la réaction afin de pouvoir optimiser les paramètres physiques et cinétiques. Cette réaction est en effet complexe car elle comporte des réactions catalytiques et des réactions radicalaires en phase gazeuse. C'est pourquoi notre objectif était de progresser dans la connaissance du mécanisme par une étude expérimentale mettant en jeu trois réacteurs différents permettant de faire varier séparément les paramètres liés au catalyseur ou à la phase gazeuse. Nous avons par ailleurs fait une étude des phénomènes de diffusion intervenant dans ces réacteurs. La comparaison des résultats obtenus avec ces différents réacteurs a fourni des informations originales. Nous avons alors proposé un mécanisme susceptible de rendre compte de cette réaction, ce qui permet d'adapter les paramètres et le réacteur à la réaction et d'envisager une modélisation. Nous avons ainsi mis au point un réacteur capable de donner de bons rendements en couplage oxydant comme en gaz de synthèse