Le reformage du biogaz est un procédé industriel bien établi conduisant à un gaz de synthèse riche en hydrogène qui pourrait jouer un rôle crucial dans la transition énergétique et environnementale actuelle. Cependant, ce procédé requiert des températures élevées (800 à 1000°C) et l’utilisation d’un catalyseur commercial généralement à base de métaux nobles ou rares présentant une influence et un impact environnemental élevé. Les catalyseurs biosourcés, à base de biochar produit par pyrolyse de bioressources riches en métaux catalytiques, ont montré des résultats prometteurs dans les réactions de thermoconversion à basse température, telles que le Water Gas Shift (180 à 250°C) et la réduction des NOx (< 500 °C) [1]. Néanmoins, leur utilisation à plus haute température entraîne une décomposition de la matrice carbonée et donc une destruction du catalyseur.

Le fer, avec une faible puissance et une grande disponibilité globale, présente une activité catalytique dans le reformage du méthane. De plus, il peut favoriser la formation de structures carbonées graphéniques hautement ordonnées et thermiquement stables par graphitisation de la biomasse. Les propriétés de conduction thermique et électronique des structures graphiques (sp2) sont bien supérieures à celles du biochar amorphe (principalement sp3), entraînant une meilleure réactivité chimique [2].

Cette thèse vise à produire, caractériser et tester des catalyseurs biosourcés à haute stabilité thermique à partir de bioressources naturellement chargés en métaux non toxiques (fer) pour remplacer les catalyseurs commerciaux à base de métaux nobles ou toxiques actuellement utilisés dans le reformage du biogaz pour la production d’hydrogène.

Des bioressources naturellement riches en fer seront sélectionnées (plantes de phytoremédiation, biodéchets riches en fer) pour produire des catalyseurs biosourcés par pyrogazéification. La stabilisation de la matrice carbonée sera réalisée par graphitisation pour assurer la stabilité thermique du catalyseur en reformage. Le rôle des métaux inhérents à la bioressource sera crucial dans le processus de graphitisation afin d’obtenir les propriétés du catalyseur biosourcé ciblé pour la production d’H ₂ par reformage du biogaz. Ces matériaux seront testés dans de reformage à sec (DRM, sous CO ₂ ) et le bi-reformage du biogaz (BRM, sous H ₂ O) afin d’étudier en détail les mécanismes de réaction et l’impact des impuretés du biogaz dans l ‘utilisation des catalyseurs biosourcés. Ces catalyseurs seront caractérisés avant et après utilisation en termes de chimie de surface et de structure physique, de l’échelle macro à l’échelle nanométrique. Ainsi, une approche de modélisation thermodynamique et cinétique multi-échelle sera adoptée pour relier les résultats expérimentaux à la caractérisation fine du catalyseur biosourcé et à la compréhension du rôle de ce catalyseur sur les mécanismes réactionnels. Enfin, la stratégie de réutilisation du catalyseur biosourcé sera définie en privilégiant les voies de régénération naturelle et en analysant la possibilité de récupérer le CO et le CO ₂ produits lors de l’utilisation du catalyseur biosourcé dans une démarche d’économie circulaire.

[1] Graul T., et al, ChemCatChem 2024 ; [2] Ghogia AC, et al., ChemSusChem 2023

Catégorie de financement : Contrat doctoral
EUR BIOECO
PHD titre : spécialité Génie des Procédés et de l’Environnement
PHD Pays : France