Letteratura scientifica selezionata sul tema "Carburant solaire"

L'hydrogène s'avère être un vecteur d'énergie stockable et non carboné particulièrement séduisant. Une approche prometteuse pour la production propre et durable d'H2 est la photoélectrolyse de l'eau. Ce projet vise à modifier les propriétés du TiO2 utilisé comme photoanode dans une cellule photoélectrochimique, pour améliorer la production d'H2 sous lumière solaire. La nanostructuration du TiO2 sous forme de nanotubes (NTs) est un bon moyen d'améliorer sa réactivité et la séparation spatiale des charges. Une étude basée sur une stratégie de co-alliage, consistant à introduire une grande quantité d'anions (N3-) et de cations (Nb5+,Ta5+) dopants, a permis de réduire l'énergie de la large bande interdite du TiO2. Une étude paramétrique sur la décoration par ablation laser pulsé de NTs de TiO2avec des co-catalyseurs (cobalt, nickel) a été réalisée. Les conditions optimales de dépôt ont été identifiées, menant à une amélioration considérable de la production photoélectrochimique d'H2. En combinant l'approche de co-alliage et de dépôt de co-catalyseur, la production d'H2 sous lumière solaire est triplée. Des études plus spécifiques ont été réalisées afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu
Hydrogen is an attractive non-carbonaceous storable fuel. A promising approach for clean and sustainable hydrogen production is solar driven photoelectrochemical water-splitting. This project aims to modify the properties of TiO2 used as a photoanode, in order to enhance the photoelectrochemical hydrogen production. Designing TiO2 at the nanometric scale with nanotubes is an interesting way to enhance both its reactivity and spatial separation of photogenerated carriers. A co-alloying strategy was investigated. The large introduction of anions (N3-) and cations (Nb5+,Ta5+) in the lattice was found to be an efficient way to reduce the band gap energy of TiO2, allowing absorption of photons in the visible range. A parametric study on the pulsed laser deposition of co-catalysts (cobalt, nickel) on TiO2 NTs was performed. The chemical composition of the co-catalysts can be controlled with the background atmosphere used during the deposition. Under the optimal conditions determined after this study, a significant improvement of photoelectrochemical hydrogen production under both solar and visible light was reached. Combining the co-alloying approach and the co-catalysts deposition leads to tripling the hydrogen production under solar light. In order to have a better understanding of the mechanisms involved, more specific studies have been performed

Cette thèse s’intéresse à l’optimisation d’un réacteur à jet (« conical jet spouted bed »), pour la gazéification solaire de biomasse (copeaux de hêtre). Le gaz de synthèse obtenu (« syngas ») permet, entre autres, la synthèse d’alcools et de biocarburants. L’intégration de chauffage solaire permet de décarboner un procédé habituellement autothermique, dans lequel un tiers de la matière première est brûlé pour chauffer le réacteur, dégradant au passage la qualité du gaz produit. De nombreux designs de gazéifieurs solaires ont été étudiés expérimentalement depuis les années 1980, montrant des performances énergétiques prometteuses. Quelques travaux théoriques ont également été menés pour étudier la mise en oeuvre de cette technologie dans un procédé industriel. En particulier, il convient de répondre aux variations d’ensoleillement, en proposant des méthodes de stockage thermique et d’hybridation. L’hybridation solaire-autothermique, par injection d’oxygène in situ, est une solution intéressante qui sera traitée au cours de cette thèse. Dans un premier temps, le dispositif expérimental (1.5 kWth) est décrit. Des expériences avec injection continue sont menées, pour mieux caractériser les réactions de pyrolyse du bois, et de gazéification du char. Via des études comparatives, l’impact de l’agencement de la cavité sur les performances de gazéification solaire est mis en évidence (chauffage indirect via une plaque émettrice, lit de particules inertes, confineur cylindrique). Un code de simulation dynamique est finalement développé sous PYTHON, pour modéliser l’impact des débits de réactifs sur les performances du réacteur en régime transitoire. Ce code couple des cinétiques hétérogènes pour les réactions char-gaz, avec un modèle d’équilibre thermodynamique en phase gaz. Les hypothèses associées permettent de réduire les temps de calcul. Dans un deuxième temps, le procédé hybride solaire-autothermique est décrit. Des essais expérimentaux sont exploités, pour quantifier l’impact négatif de l’injection d’O2 sur la qualité du gaz produit (teneur en H2 et CO). Des stratégies de contrôle sont alors proposées pour pallier ces effets, via l’ajout contrôlé de biomasse ou d’eau pendant l’hybridation. Une stratégie de production à H2+CO constant est retenue pour la suite, et est l’objet d’une étude paramétrique sous PYTHON. Les impacts de l’hybridation sur la température de paroi et la composition du gaz de synthèse sont commentés. 5 Dans un troisième temps, le code PYTHON est appliqué au contrôle dynamique du gazéifieur hybride, permettant de dresser des bilans de production annuels. Un dimensionnement à grande échelle est étudié (10 MWth), dans le cadre d’une régulation du débit volumique H2+CO et de la température de la zone réactive. Des études paramétriques sont présentées, concernant les paramètres du code de contrôle et l’impact de choix de design sur les performances du gazéifieur hybride. Enfin, la pertinence des hypothèses du modèle est discutée. La présente thèse propose ainsi une stratégie d’hybridation précise (H2+CO constant), visant à faciliter l’intégration du gazéifieur solaire dans un procédé industriel. La faisabilité du contrôle dynamique, avec un pas de temps de l’ordre de la seconde, est démontrée. Pour une centrale de 10 MWth dans la région d’Odeillo (France), la part de chauffage solaire annuelle serait d’environ 20%. Au-delà, la production de syngas est nécessairement fluctuante, rendant nécessaire l’intégration de modules de stockage conséquents. Des perspectives sont finalement proposées pour éclairer les choix de conception d’un gazéifieur hybride à grande échelle
This thesis tackles the optimization of a spouted-bed reactor, for the solar gasification of biomass (beech wood pellets). The syngas synthesized is notably useful for the production of alcohols and fuels. Integrating solar heating enables decarbonating the process, which is usually autothermal. This means that one third of the initial feedstock is usually burnt to heat the reactor, and that the producer gas is contaminated.Various gasifier designs have been assessed experimentally since the 1980s, showing promising energy efficiencies. Some theoretical works were also carried out to tackle the practical application of the technology in industrial processes. In particular, the fluctuations of sunlight availability must be managed, by proposing thermal storage and hybridization methods. The solar-autothermal hybridization – which relies on in situ oxygen injection – is an interesting solution, and will be tackled all through the present thesis.Firstly, the experimental setup (1.5 kWth) is detailed. Preliminary experiments with continuous injection are carried out, to better characterize the reactions of wood pyrolysis and char gasification. Via comparative studies, the impacts of the cavity’s layout on gasification results are described (indirect heating through an emitter plate, inert particles bed, cylindrical confiner). A dynamic simulation code is eventually developed in PYTHON, to model the impact of reactants feeding rates on transient outcomes. This code couples heterogeneous kinetics, corresponding to char-gas reactions, with the computation of thermodynamic equilibrium in the gas phase. The related hypotheses enable reducing the computational costs.Secondly, the solar-autothermal hybrid process is described. Experimental results are exploited, to quantify the negative impact of O2 injection on the producer gas quality (H2 and CO yields). Control strategies are then proposed to mitigate these effects, via the controlled injection of biomass or water throughout hybridization. A constant H2+CO production strategy is retained for the following, and is assessed through a parametric study in PYTHON. The impacts of hybridization on the walls temperature and syngas composition are discussed.Thirdly, the PYTHON code is applied to the hybrid gasifier dynamic control, in order to establish yearly production reports. An upscaled reactor is considered (10 MWth), with controlled H2+CO volume production and reactants temperature. Parametric studies are performed regarding the control code tuning, and the impact of design parameters on the hybrid gasifier performances. Finally, the relevance of the model assumptions is discussed.7The present thesis thus proposes a precise hybridization strategy (constant H2+CO production), which aims at facilitating the integration of the solar gasifier in an industrial process. The feasibility of dynamic control on a second-per-second time scale is demonstrated. In a 10 MWth plant around the location of Odeillo (France), the yearly solar heat share might be around 20%. Beyond this point, syngas production is necessarily fluctuating, thus requiring the integration of costly storage facilities. Perspectives are listed to clarify design choices for upscaled hybrid gasifiers

Afin de palier à l’intermittence des énergies renouvelables, l’utilisation d’un vecteur énergétique tel que l’hydrogène semble une solution idéale. Il permet de stocker massivement de l’énergie sur une longue période de temps, convient à une large gamme d’utilisation (mobilité, chaleur, procédés) et son impact carbone est très intéressant selon sa production. Cette source d’énergie apparait donc comme une bonne alternative aux énergies fossiles dont nous sommes très dépendants. Cependant, 95 % de l’hydrogène est actuellement produit par la technique de vaporeformage du gaz naturel qui conduit à une production importante de dioxyde de carbone (CO2) ! Il est donc nécessaire de le produire par d'autres techniques et, parmi les différentes technologies disponibles, la production par photocatalyse (procédé utilisant la lumière du soleil et l'eau) semble tout à fait appropriée compte tenu de la possibilité de coupler cette technique à une source d'énergie renouvelable comme la lumière du soleil. Le photocatalyseur le plus connu et le plus utilisé actuellement est le dioxyde de titane (TiO2) mais sa synthèse requiert des températures élevées de l’ordre de plusieurs centaines de degrés. De plus, l’activité photocatalytique du TiO2 est limitée et ce dernier est en général dopé avec des métaux nobles afin d’augmenter son pouvoir photocatalytique. Compte tenu de cette problématique, dans le cadre de ce doctorat, un nouveau procédé de synthèse du TiO2 en conditions douces à 50°C a été mis en place. Les matériaux obtenus ont alors été dopés au moyen de métaux non nobles de types zinc (Zn), magnésium (Mg), aluminium (Al). Des tests de dopage sous pression ont aussi effectués et les résultats de production d’hydrogène obtenus en lumière visible sont très prometteurs
To circumvent the intermittency of the renewable energies, the use of an energy vector like Hydrogen seems to be an ideal solution. It represents a good way to store energy massively over long periods to be later employed in a wide variety of systems such as mobility, heating or industrial processing, with no impact on the carbon footprint. This source of energy then appears then to be a good alternative to fossil fuels on which we are very dependent. However, 95% of hydrogen is currently produced by the technique of steam reforming of natural gas, which leads to a significant production of carbon dioxide (CO2)! It is therefore necessary to produce it by other techniques and, among the various technologies available, the production by using photocatalysis (a process using only sunlight and water) seems quite appropriate given the possibility of coupling this technique to a renewable energy source such as sunlight. The best-known and most currently used photocatalyst is titanium dioxide (TiO2), but its synthesis requires high temperatures on the scale of several hundreds of degrees. Moreover, its photocatalytic activity is limited and it is generally doped with noble metals in order to increase its photocatalytic power. Given this problem, as part of this doctorate, a new process for TiO2 synthesis under mild conditions at 50°C has been implemented. The materials obtained were then doped with non noble metals such as zinc (Zn), magnesium (Mg), aluminum (Al). Pressure doping tests were also carried out and the hydrogen production results obtained under visible light are very promising

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la réduction de CO 2 et H 2 O en CO et H 2 au moyen de cycles thermochimiques. Ces cycles utilisent des oxydes métalliques pour réaliser ces réductions en deux étapes, permettant de diminuer la température nécessaire. Dans une première étape endothermique, l’oxyde métallique est réduit à haute température (>1200°C) grâce à un apport d’énergie solaire concentrée. Dans une seconde étape exothermique réalisée à plus basse température (<1200°C), cette espèce réduite est ré-oxydée en présence d’eau ou de CO 2 , produisant H 2 ou CO et régénérant l’oxyde métallique pour un autre cycle. Le mélange de H 2 et CO (syngas), ainsi produit uniquement grâce à de l’énergie solaire peut ensuite être transformé en carburant liquide conventionnel par un procédé catalytique de type Fischer-Tropsch. Cette étude s’intéresse particulièrement aux cycles à base d’oxydes volatiles, ZnO/Zn et SnO 2 /SnO, dont le produit de la première étape de réduction est sous forme gazeuse à la température de réaction, puis se condense sous forme de nanoparticules. Tout d’abord, des moyens et méthodes ont été développés pour l’étude de la cinétique des réactions de réduction à hautes températures, en particulier une méthode inverse utilisant la mesure en ligne de l’oxygène produit dans un réacteur solaire, et un dispositif de thermogravimétrie solaire. Par ailleurs, différents moyens de diminuer la température des réactions de réduction ont été étudiés, à savoir la diminution de la pression et l’emploi d’un agent réducteur carboné. L’impact de la diminution de la pression sur la cinétique de réduction a été quantifié pour SnO 2 et ZnO.Une étude de l’évolution physico-chimique de poudres de SnO durant la deuxième étape d’oxydation du cycle a ensuite été réalisée, montrant l’importance de la réaction de dismutation de SnO en Sn et SnO 2 sur la réactivité des poudres dans la gamme de température étudiée
This PhD thesis focuses on the study of the CO2 and H2O reduction into CO and H2 using thermochemical cycles. These cycles use metal redox pairs for stepwise reduction at lower temperature. The first step consists of the endothermic high temperature reduction of the metal oxide (>1200°C) using concentrated solar energy. The second step, operated at a lower temperature (<1200°C), uses the reduced specie to reduce CO2 or H2O, yielding CO or H2 and regenerating the metal oxide. The CO and H2 mixture (syngas), produced using solar energy, can then be converted into liquid fuel using a conventional Fischer-Tropsch catalytic process. The study considers more specifically the volatile oxide cycles, ZnO/Zn and SnO2/SnO, for which the reduced specie is obtained in gaseous phase at the reaction temperature, and is then condensed as nanoparticles. First, means and methods for studying the kinetics of reduction reactions at high temperatures were developed, namely an inverse method based on the online analysis of O2 production in a solar reactor and a solar-driven thermogravimeter. In addition, the study of reduced pressure operation and the use of a carbonaceous reducer were considered as efficient means to decrease the operating temperature and to promote a fast reaction. The impact of reduced pressure was quantified for SnO2 and ZnO reduction. A study of the evolution of the morphology and chemistry of the SnO powder during the second oxidation step was then conducted, emphasizing the importance of SnO disproportionation on the powder reactivity

Dans le contexte actuel de développement de nouvelles sources d'énergie non fossiles tout en minimisant l'impact environnemental, la production de carburants solaires par la valorisation des émissions anthropiques de CO2 apparaît comme une solution à fort potentiel. Le principal défi dans les processus artificiels photo-induits concerne le caractère bidimensionnel des systèmes utilisés, en raison de la faible profondeur de pénétration des photons. Ce travail de thèse se concentre sur le développement de mousses solides alvéolaires, issues de la chimie intégrative, présentant une porosité hiérarchiquement organisée. A travers l’imprégnation de précurseurs de TiO2, des photocatalyseurs autosupportés ont été synthétisés et ont montré une augmentation de la pénétration des photons d’un ordre de grandeur. D’autre part, ces solides limitent les réactions inverses par un effet de dilution, tout en assurant une sélectivité élevée envers la génération d'alcanes. Un modèle cinétique, basé sur un formalisme mixte de Langmuir-Hinshelwood et Eley-Rideal, est proposé pour décrire le comportement des matériaux
In the current context of developing novel non-fossil energy sources while minimizing the environmental impact, solar-driven-fuel-production by exploiting anthropogenic CO2 emissions appears to be a solution with great potential. The main challenge in artificial photo-induced processes concerns the two-dimensional character of the systems used, due to the low photon penetration depth. This thesis work focuses on the development of alveolar solid foams, derived from integrative chemistry and bearing a hierarchically organized porosity. By TiO2 precursor impregnation, self-standing photocatalysts were synthesized and provided a photon penetration increase by an order of magnitude. Moreover, these solids limit back-reactions by a dilution effect, while ensuring high selectivity towards alkane generations. A kinetic model, based on a mixed formalism of Langmuir-Hinshelwood and Eley-Rideal, is proposed to describe material behavior

Afin de relever le défi énergétique et climatique du 21ième siècle qui s’annonce, une solution consiste, pour valoriser la ressource solaire, à mettre au point des procédés de production de vecteurs énergétiques stockables par photosynthèse artificielle permettant la synthèse de carburants solaires, en particulier l’hydrogène. La compréhension de ses procédés et l’obtention de performances cinétiques et énergétiques élevées nécessitent le développement de modèles de connaissance génériques, robustes et prédictifs considérant le transfert de rayonnement comme processus physique contrôlant le procédé à plusieurs échelles mais aussi les différents autres phénomènes intervenant dans la structure ou la réification du modèle.Dans le cadre de ce travail de doctorat, le procédé photo-réactif au cœur de l’étude était la cellule photo-électrochimique. D’un fonctionnement plus complexe que le simple photoréacteur, avec une photo-anode et une (photo)cathode, la cellule photo-électrochimique dissocie spatialement les étapes d’oxydation et de réduction. En se basant à la fois sur la littérature existante (essentiellement dans le domaine de l’électrochimie) et en déployant les outils développés par l’équipe de recherche sur le transfert de rayonnement et la formulation du couplage thermocinétique, il a été possible d’établir des indicateurs de performance des cellules photo-électrochimiques.En parallèle de l’établissement de ce modèle, une démarche expérimentale a été entreprise en se basant tout d’abord sur une cellule commerciale de type Grätzel (DS-PEC) indiquant les tendances générales de tels convertisseurs de l’énergie des photons avec en particulier une chute de l’efficacité énergétique en fonction de la densité incidente de flux de photons. Un dispositif expérimental modulable (Minucell) a aussi été développé et validé afin de caractériser des photo-anodes de différentes compositions comme des électrodes de TiO2 imprégnées de chromophore pour un fonctionnement en cellule de Grätzel ou bien des électrodes d’hématite Fe2O3 (SC-PEC) où le semiconducteur joue à la fois les fonctions d’absorption des photons et de conduction des porteurs de charges. Surtout, le dispositif Minucell a permis de tester, caractériser et modéliser le comportement d’une cellule photo-électrochimique de type bio-inspiré pour la production d’H2 utilisant à la photo-anode un catalyseur moléculaire Ru-RuCat (développé par ICMMO Orsay/CEA Saclay) et à la cathode un catalyseur CoTAA (développé par LCEMCA Brest). Minucell a été utilisé pour caractériser chaque élément constitutif d’une cellule photo-électrochimique puis la cellule dans son ensemble, confirmant les tendances et observations obtenues sur les efficacités énergétiques.Ce travail préliminaire ouvre de très nombreuses perspectives de recherche, il pose des bases communes entre électrochimie et génie des systèmes photo-réactifs et donne des pistes quant à la conception et l’optimisation cinétique et énergétique des cellules photo-électrochimiques pour la production d’hydrogène et de carburants solaires
In order to meet the energy and climate challenge of the coming 21st century, one solution consists of developing processes for producing storable energy carriers by artificial photosynthesis to synthesize solar fuels, in particular hydrogen, in order to valorize the solar resource. The understanding of these processes and the achievement of high kinetic and energetic performances require the development of generic, robust and predictive knowledge models considering radiative transfer as a physical process controlling the process at several scales but also including the various other phenomena involved in the structure or reification of the model.In this PhD work, the photo-reactive process at the heart of the study was the photo-electrochemical cell. More complex than the simple photoreactor, with a photo-anode and a (photo)cathode, the photo-electrochemical cell spatially dissociates the oxidation and reduction steps. Based both on the existing literature (mainly in the field of electrochemistry) and by deploying the tools developed by the research team on radiative transfer and thermokinetic coupling formulation, it was possible to establish performance indicators of photo-electrochemical cells.In parallel to the establishment of this model, an experimental approach was undertaken based first on a commercial Grätzel-type cell (DS-PEC) indicating the general trends of such photon energy converters with in particular a drop in energy efficiency as a function of the incident photon flux density. A modular experimental device (Minucell) has also been developed and validated in order to characterize photo-anodes of different compositions such as chromophore impregnated TiO2 electrodes for operation in Grätzel cells or Fe2O3 hematite electrodes (SC-PEC) where the semiconductor plays both the functions of photon absorption and charge carrier conduction. Above all, the Minucell device allowed to test, characterize and model the behavior of a bio-inspired photo-electrochemical cell for H2 production using at the photo-anode a Ru-RuCat molecular catalyst (developed by ICMMO Orsay/CEA Saclay) and at the cathode a CoTAA catalyst (developed by LCEMCA Brest). Minucell was used to characterize each constituent element of a photo-electrochemical cell and then the cell as a whole confirming the trends and observations obtained on energy efficiencies.This preliminary work opens up a wide range of research prospects, lays common ground between electrochemistry and photo-reactive systems engineering, and provides insights into the design and kinetic and energy optimization of photo-electrochemical cells for the production of hydrogen and solar fuels

La photocatalyse est une voie de synthèse prometteuse de l’hydrogène comme carburant solaire. La production photocatalytique est un moyen, à la fois de stocker l’énergie solaire sous forme d’énergie chimique et de produire des carburants de manière renouvelables en utilisant l’eau ou des alcools biosourcés comme matière première. L’objectif de cette thèse est d’étudier la déshydrogénation photocatalytique d’alcools à l’aide de sulfures de métaux de transitions, supportés sur TiO2 (MSx/TiO2). Ces sulfures de métaux de transitions ont des propriétés d’activation de l’hydrogène, des propriétés électrochimiques et des propriétés optiques intéressantes. Une série de sept MSx/TiO2 (M = Co, Ni, Cu, Mo, Ru, Ag, Hg) ont été étudiés. La réaction de déshydrogénation photocatalytique du propan-2-ol est utilisée comme réaction modèle. Des corrélations sont établies entre les propriétés intrinsèques de ces MSx/TiO2 et leur activité photocatalytique. De plus, la mesure d’énergie d’activation d’apparente apporte une compréhension supplémentaire sur les mécanismes photocatalytiques. Cette dernière montre que la production photocatalytique d’hydrogène est principalement limitée par les phénomènes de séparation et de transfert de charges dans les photocatalyseurs. Ainsi, une méthodologie combinant la spectroscopie de photoélectrons UV et la spectroscopie d’absorption UV-Visbile a été mis en place pour déterminer la structure électronique des poudre photocatalytiques. Ce travail conclue sur le caractère central de la structure électronique en photocatalyse. Dans le cas du photocatalyseur RuS2/TiO2, le transfert électronique est l’étape cinétiquement déterminante pour la déshydrogénation photocatalytique du propan-2-ol
Photocatalysis is a promising way to synthesize H2 as a solar fuel. On one hand, the photocatalytic H2 production stores solar energy under chemical energy. On the other hand, it produces H2 with a renewable process using water and bio-based alcohols as a feedstock. This Ph.D thesis aims to study the photocatalytic dehydrogenation of alcohols with transition metal sulfides supported on TiO2 (MSx/TiO2). Those transition metal sulfides have versatile and highly tunable properties. They can activate H2, they have promising electrochemical behavior and optical properties. Seven MSx/TiO2 (M = Co, Ni, Cu, Mo, Ru, Ag, Hg) are therefore studied. The photocatalytic dehydrogenation of propan-2-ol is used as a model reaction. Structure-activity relationships are found between the intrinsic properties of the MSx/TiO2 and their photocatalytic activity. Measuring an apparent activation energy provides additional mechanistic insights. It shows that the photocatalytic production of hydrogen is mostly limited by the charge carrier separation and by the electronic transfer. Therefore a method combining the UPS and the UV-Visbile absorption spectroscopies has been develop to establish the electronic structure of photocatalytic powders. This work concludes that the electronic structure plays a crucial role in photocatalysis. With RuS2/TiO2 photocatalyst, the electron transfer is evidenced as the rate-determining step of the photocatalytic dehydrogenation of propan-2-ol

L’objectif principal de ce travail de thèse était de mettre en évidence et de mesurer l’effet co-catalytique de complexes moléculaires organo-métalliques à base de métaux de transition adsorbés sur des semi-conducteurs dopés photo-actifs vis-à-vis des réactions de photo-dissociation de l’eau et de photo-réduction du dioxyde de carbone, en en vue d’applications dans des cellules photochimiques et photo-électrochimiques. Nous avons tout d’abord identifié et sélectionné les matériaux (deux semi-conducteurs photo-actifs et deux co-catalyseurs moléculaires électroactifs) les plus adaptés (les résultats sont présentés dans le chapitre I). Nous avons ensuite conçu, développé et mis au point un bâti expérimental permettant la détection et le dosage en continu des produits de réaction lors des réactions d’intérêt (les résultats sont présentés dans le chapitre II). La détection des produits de réaction se fait à l’aide d’un chromatographe en phase gazeuse couplé au réacteur. Nous avons ensuite élaboré/synthétisé et mesuré les propriétés intrinsèques des matériaux sélectionnés (les résultats sont présentés dans le chapitre III). Finalement, nous avons mis en évidence l’activité co-catalytique des complexes utilisés et mesuré un ensemble d’indicateurs de performance tels que les cinétiques de réaction et les fréquences de « turn-over » (les résultats sont présentés dans le chapitre IV)
The main objective of this research work was to put into evidence the co-catalytic effect of organo-metallic molecular complexes containing transition metals as reactive centers, adsorbed at the surface of doped semiconductors with photo-activity with regard to water photo-dissociation and carbon dioxide photo-reduction, in view of practical applications in photochemistry and photo-electrochemistry. First, appropriate materials (two photoactive semiconductors and two molecular co-catalysts) have been identified and selected (results are presented in chapter I). Then, we have designed, constructed and optimized a specific test bench that can be used for the continuous detection and titration of reaction products (results are presented in chapter II). Product analysis was achieved by coupling a gas-phase chromatograph to the photo-electrochemical reactor. Then, photoactive semiconductors and molecular co-catalysts have been elaborated/synthesized and their intrinsic properties have been measured (results are presented in chapter III). Finally, the co-catalytic activity of molecular complexes has been put into evidence and several performance indicators such as reaction kinetics and turn-over frequency have been measured (results are presented in chapter IV)

La dissociation de H2O et la conversion du CO2 par voie solaire à partir de cycles thermochimiques à deux étapes est une méthode efficace pour la génération d’hydrogène et de combustibles de synthèse. Ce chapitre décrit les différents cycles redox basés sur des oxydes métalliques avec apport d’énergie solaire concentrée, ainsi que les possibilités d’intégration dans des réacteurs thermochimiques solaires.

Ce chapitre fait état des principales voies de production de carburants de synthèse à partir de l’énergie solaire concentrée et des matériaux carbonés. D’une part, il est possible de convertir les hydrocarbures (gaz, liquides) par thermolyse ou reformage. D’autre part, les solides carbonés peuvent être gazéifiés pour produire un gaz de synthèse.

La photosynthèse est le processus qui utilise la lumière du soleil comme unique apport d'énergie pour chasser le dioxyde de carbone (CO2) de notre atmosphère et le convertir en un vecteur d'énergie chimique. Comprendre le fonctionnement de l’appareil photosynthétique dans le monde du vivant est une étape clé vers le développement de systèmes artificiels qui seraient capables de reproduire les processus de captage de la lumière, couplés à la catalyse de transformation de l’eau et du CO2 (Sanderson, 2008). Les chimistes du monde entier consacrent beaucoup d'efforts à la mise au point de molécules et de matériaux pour la production de carburant solaire, se rapprochant ainsi d'une économie alimentée par des sources d'énergie neutres en carbone. Les énormes défis consistent à développer des matériaux avancés, peu coûteux et éco-compatibles, capables de capter la lumière pour activer et transformer des molécules très stables, à savoir l'eau et le dioxyde de carbone – les ingrédients clés – en nouvelles molécules pour nos besoins.

Pour permettre la transition énergétique en Suisse, SCCER BIOSWEET (i) a évalué les potentiels actuels et futurs de l’énergie primaire provenant des différents types de biomasse ligneuse en Suisse ; (ii) a développé et mis en oeuvre des technologies innovantes pour l’utilisation de la biomasse dans les domaines de la chaleur, de l’électricité et des carburants ; et (iii) a étudié le rôle futur de la biomasse ligneuse dans le système énergétique. SCCER BIOSWEET a commencé avec l’objectif de 100 pétajoules (PJ) de consommation d’énergie primaire par an provenant de la bioénergie d’ici 2050, ce qui signifie un doublement de la consommation d’énergie actuelle provenant de la biomasse. Selon les résultats des analyses réalisées par SCCER BIOSWEET, cet objectif est réalisable et la biomasse ligneuse pourrait y contribuer à hauteur de 50 %. Néanmoins, en ce qui concerne l’efficacité des ressources et la décarbonisation de l’industrie et de la société, la priorité doit être accordée à l’utilisation matérielle du bois (utilisation en cascade), par exemple comme produits chimiques dans les bioraffineries. En Suisse, l’utilisation du bois à des fins énergétiques devrait idéalement inclure la production de chaleur à haute température pour le chauffage des processus industriels, ainsi que de carburants sous forme gazeuse et liquide pour les transports terrestres et aériens. Un autre point essentiel est la nécessité de compenser les fluctuations de la production d’autres sources d’énergie, notamment solaire.