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Nanopoudres de ferrite de nickel produites par plasma inductif et analyse in situ de leur comportement thermochimique
Full text linkDes nanoparticules de ferrite de nickel ont été produites par une technique de plasma induc-tif à jet de solution. En contrôlant le ratio Ni/(Ni+Fe) dans la solution de précurseurs, une grande gamme de nanoparticules monophasées de ferrite de nickel NixFe3-xO4-δ (0 ≤ x ≤ 1) peuvent être produites, ainsi que des nanoparticules multiphasées de NiFe2O4 + (Ni,Fe)O. Des nanoparticules avec deux types de morphologie peuvent être obtenues dépendant de l’endroit où elles sont recueillies dans le réacteur : des octaèdres tronqués facettés, ayant une taille moyenne de 30 nm, ou un petit agglomérat de forme aléatoire, ayant une taille caractéristique de ~3-5 nm. Pour les nanoparticules multiphasées, il est démontré que la phase (Ni,Fe)O se dépose de façon sélective sur les facettes {110} et {111} de la ferrite de nickel, tout en laissant les facettes {100} exposées. En utilisant la même procédure, il est également possible de produire des nanocubes de NiO. Ces résultats démontrent la flexibilité des réacteurs à plasma inductif pour la production de nanoparticules mono ou multiphasées organisées avec un grand rendement. Des analyses de DRX in situ sur ces nanoparticules montrent que la réduction avec H2 enlève l'excès d'oxygène de la maille spinelle, si présent initialement, suivi d'une réduction vers les alliages métalliques (Ni,Fe). Leur réoxydation subséquente avec CO2 mène à un renversement partiel du processus de réduction par H2. Les expériences in situ ont été analysées avec un modèle cristallin qui lie le paramètre de maille d'un spinelle à sa déviation de sa stœchiométrie en oxygène (δ).Abstract : Nickel ferrite spinel nanoparticles were produced by the solution spray induction plasma technique. By controlling the Ni/(Ni+Fe) ratio in the precursor solution, a wide range of single-phased nickel ferrite NixFe3-xO4-δ (0 ≤ x ≤ 1) nanoparticles can be produced, along with multiphased NiFe2O4 + (Ni,Fe)O nanoparticles. Nanoparticles with two types of morphologies can be obtained depending on where they are collected in the reactor: facetted truncated octa-hedrons, with an average size of about 30 nm, or a small-sized random agglomerate, with a characteristic length of ~3-5 nm. For the multiphased nanoparticles, it is demonstrated that the (Ni,Fe)O phase selectively deposits on the {110} and {111} facets of nickel ferrite, while leaving its {100} facet exposed. Using the same procedure, it is also possible to produce nanocubes of NiO. These results show the flexibility of the induction plasma method for the production of organized single or multiphased nanoparticles with a high throughput. In situ XRD catalytic experiments on those nanoparticles show that reduction with H2 will cause the removal of excess oxygen from the spinel lattice, if present initially, followed by a reduction to metallic (Ni,Fe) alloys. Their subsequent reoxidation with CO2 leads to a partial reversal of the H2 reduction process. In situ experiments were enhanced by the development of a crystal-lographic model that links the lattice parameter of a spinel to its deviation from oxygen stoechiometry (δ)
Avenues de synthèse d’un matériau magnétique multifonctionnel à des fins de catalyse hétérogène
Full text linkLa catalyse est à la base de la fabrication de médicaments, de produits textiles, d‘engrais, des pots d’échappement, et une multitude d’autres applications de notre quotidien. En effet, dans les pays industrialisés jusqu’à 80% des produits manufacturés utilisés au quotidien ont nécessité au moins une étape de catalyse lors de leur fabrication. Outre être actif, il est primordial pour un catalyseur performant d’être résistant à la désactivation qui se traduit par la perte d’activité ou de sélectivité d’un catalyseur au cours du temps. La synthèse d’un matériau multifonctionnel permet de répondre à ces différents critères. L’objectif d’un design intelligent de matériaux est de mener à des effets synergiques de chacune des composantes. Pour un catalyseur, en plus d’être actif et sélectif pour le produit désiré, il faut en plus qu’il soit durable, stable dans le temps, et permette d’être réutilisable. L’objectif de ce projet est de faire une synthèse originale, simple et reproductible d’un catalyseur actif et résistant à la désactivation. De base, un catalyseur se compose d’un support et d’un matériau actif. La nature, la morphologie et l’agencement de ces derniers dictent le comportement chimique du catalyseur final. Comme matériau actif, les nanoparticules d’or sont très prisées en raison de leur potentiel de catalyse élevée pour de nombreuses réactions. Cependant, aux températures de fonctionnement de la catalyse, les nanoparticules d’or ont tendance à se désactiver par coalescence. Pour remédier à cela, il est possible de déposer une couche de silice mésoporeuse afin de protéger les NPs d’or des rudes conditions de réaction tout en étant perméables aux espèces réactives. Plusieurs types de matériaux peuvent servir de support aux nanoparticules d’or. À ce titre, les particules d’oxydes de fer magnétiques telles que la magnétite (Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4]) sont intéressantes pour leur potentiel hyperthermique, phénomène par lequel des nanoparticules (NPs) magnétiques transforment de l’énergie électromagnétique provenant d’un champ externe haute fréquence en chaleur, créant ainsi des nano-fours. Une première couche de silice est utilisée comme matrice de greffage afin de fixer les nanoparticules d’or sur la magnétite. La structure visée est illustrée à la Figure ci-dessous. Figure 1 Structure du catalyseur de Fe2O4@SiO2-Au-SiO2m (Ge, Zhang, Zhang, & Yin, 2008) Plusieurs avenues d’assemblage et de synthèse sont explorées pour chacune des composantes de la structure visée. Les avantages et inconvénients ainsi que des mécanismes sont proposés pour chaque voie de synthèse. Le matériau est utilisé comme catalyseur pour la réaction de réduction du 4-Nitrophénol par du NaBH4. Pour ce qui est de la synthèse de magnétite par voie solvothermique, il a été démontré qu’il était important d’être dans un milieu sous pression puisque l’étape limitante de la réaction est la solubilité des particules de magnétites dans le milieu. Cela est en accord avec le principe de mûrissement d’Ostwald selon lequel les petites particules ont tendance à se dissoudre dans le milieu et précipiter à la surface des plus grosses particules de façon à diminuer l’énergie interfaciale. Cette synthèse a été reproduite avec succès et a mené à la production de nanoparticules de Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4] sphériques creuses d’une taille de 150 [plus ou moins] 30nm. Ces sphères creuses ont été recouvertes d’une couche de silice dense par une méthode de Stöber modifiée. Le recouvrement forme des amas de particules et est non uniforme en raison de la présence de poly(éthlyène glycol) à la sur face de la magnétite, un adjuvant présent lors de sa synthèse afin d’améliorer la dispersion de la magnétite. La synthèse et le greffage d’AuNPs sont bien maîtrisés : les AuNPs ont une taille de 17 [plus ou moins] 6nm et la quantité d’or greffé est assez élevée. Ultimement, une méthode de greffage alternative tel que le greffage par croissance in situ de nanoparticules d’or pourrait être emprunté afin d’obtenir des particules plus petites. Pour ce qui est de la formation d’une couche de silice mésoporeuse, la méthode par calcination est une meilleure option que par gravure chimique en raison de sa sélectivité envers la couche externe de silice plus élevée ainsi que la formation apparente de pores
Avenues de synthèse d’un matériau magnétique multifonctionnel à des fins de catalyse hétérogène
No full textLa catalyse est à la base de la fabrication de médicaments, de produits textiles, d‘engrais, des pots d’échappement, et une multitude d’autres applications de notre quotidien. En effet, dans les pays industrialisés jusqu’à 80% des produits manufacturés utilisés au quotidien ont nécessité au moins une étape de catalyse lors de leur fabrication. Outre être actif, il est primordial pour un catalyseur performant d’être résistant à la désactivation qui se traduit par la perte d’activité ou de sélectivité d’un catalyseur au cours du temps. La synthèse d’un matériau multifonctionnel permet de répondre à ces différents critères. L’objectif d’un design intelligent de matériaux est de mener à des effets synergiques de chacune des composantes. Pour un catalyseur, en plus d’être actif et sélectif pour le produit désiré, il faut en plus qu’il soit durable, stable dans le temps, et permette d’être réutilisable. L’objectif de ce projet est de faire une synthèse originale, simple et reproductible d’un catalyseur actif et résistant à la désactivation. De base, un catalyseur se compose d’un support et d’un matériau actif. La nature, la morphologie et l’agencement de ces derniers dictent le comportement chimique du catalyseur final. Comme matériau actif, les nanoparticules d’or sont très prisées en raison de leur potentiel de catalyse élevée pour de nombreuses réactions. Cependant, aux températures de fonctionnement de la catalyse, les nanoparticules d’or ont tendance à se désactiver par coalescence. Pour remédier à cela, il est possible de déposer une couche de silice mésoporeuse afin de protéger les NPs d’or des rudes conditions de réaction tout en étant perméables aux espèces réactives. Plusieurs types de matériaux peuvent servir de support aux nanoparticules d’or. À ce titre, les particules d’oxydes de fer magnétiques telles que la magnétite (Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4]) sont intéressantes pour leur potentiel hyperthermique, phénomène par lequel des nanoparticules (NPs) magnétiques transforment de l’énergie électromagnétique provenant d’un champ externe haute fréquence en chaleur, créant ainsi des nano-fours. Une première couche de silice est utilisée comme matrice de greffage afin de fixer les nanoparticules d’or sur la magnétite. La structure visée est illustrée à la Figure ci-dessous. Figure 1 Structure du catalyseur de Fe2O4@SiO2-Au-SiO2m (Ge, Zhang, Zhang, & Yin, 2008) Plusieurs avenues d’assemblage et de synthèse sont explorées pour chacune des composantes de la structure visée. Les avantages et inconvénients ainsi que des mécanismes sont proposés pour chaque voie de synthèse. Le matériau est utilisé comme catalyseur pour la réaction de réduction du 4-Nitrophénol par du NaBH4. Pour ce qui est de la synthèse de magnétite par voie solvothermique, il a été démontré qu’il était important d’être dans un milieu sous pression puisque l’étape limitante de la réaction est la solubilité des particules de magnétites dans le milieu. Cela est en accord avec le principe de mûrissement d’Ostwald selon lequel les petites particules ont tendance à se dissoudre dans le milieu et précipiter à la surface des plus grosses particules de façon à diminuer l’énergie interfaciale. Cette synthèse a été reproduite avec succès et a mené à la production de nanoparticules de Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4] sphériques creuses d’une taille de 150 [plus ou moins] 30nm. Ces sphères creuses ont été recouvertes d’une couche de silice dense par une méthode de Stöber modifiée. Le recouvrement forme des amas de particules et est non uniforme en raison de la présence de poly(éthlyène glycol) à la sur face de la magnétite, un adjuvant présent lors de sa synthèse afin d’améliorer la dispersion de la magnétite. La synthèse et le greffage d’AuNPs sont bien maîtrisés : les AuNPs ont une taille de 17 [plus ou moins] 6nm et la quantité d’or greffé est assez élevée. Ultimement, une méthode de greffage alternative tel que le greffage par croissance in situ de nanoparticules d’or pourrait être emprunté afin d’obtenir des particules plus petites. Pour ce qui est de la formation d’une couche de silice mésoporeuse, la méthode par calcination est une meilleure option que par gravure chimique en raison de sa sélectivité envers la couche externe de silice plus élevée ainsi que la formation apparente de pores
Ingénierie d'un catalyseur spinelle Ni-Al pour le reformage à la vapeur du diesel : analyse et optimisation
No full textDepuis que la sonnette d’alarme concernant les carburants fossiles a retenti, les scientifiques cherchent des alternatives pour une consommation énergétique plus intelligente. Le reformage des carburants liquides et de gaz naturel est un procédé qui permet la production des vecteurs énergétiques riches en hydrogène. L’intérêt dans la production d’hydrogène est grandissant en raison de ses diverses applications, dont les besoins de l’industrie pétrolière pour le raffinage. En effet, la détérioration de la qualité du pétrole brut combinée à des spécifications pour les carburants plus sévères, conduit cette industrie à des bilans globaux déficitaires en hydrogène. De ce fait, le coût de l’hydrogène a connu une importante augmentation, étant le deuxième plus important dans le fonctionnement des raffineries, juste après le pétrole brut. Ce projet s’inscrit dans le domaine du développement des technologies de production d’énergies efficaces. La façon la plus utilisée commercialement pour produire de l’hydrogène est le reformage à la vapeur. Pour cela, un catalyseur de nickel sous forme de spinelle nickel-alumine (NiAl[indice inférieur 2]O[indice inférieur 4]) sur support d’alumine (Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]) et de zircone stabilisée à l’yttria (YSZ), breveté par l’Université de Sherbrooke, a été testé pour le reformage à la vapeur. Dans le cadre de ce projet, deux principaux objectifs ont été déterminés ; premièrement l’optimisation des performances du catalyseur et deuxièmement la détermination du rôle de chaque composé au niveau structural et au niveau de la réactivité durant le reformage. Différentes méthodes de synthèse ont été testées pour la préparation du catalyseur ; ceci a permis de relier la technique de préparation aux propriétés intrinsèques du catalyseur et de ce fait, valider sa formulation finale. Des tests de reformage à la vapeur effectués, en utilisant du diesel commercial à un débit volumique des réactifs de 25 000 cm[indice supérieur 3]g[indice inférieur cat][indice supérieur -1]h[indice supérieur -1] et un ratio molaire H[indice inférieur 2]O/C de 1.9, avec des catalyseurs de différentes formulations ont permis d’élucider le rôle du support. En effet, l’YSZ est un co-support actif lors des tests de reformage. L’analyse des catalyseurs usés montre des différences notables entre les catalyseurs qui se désactivent et ceux qui ne se désactivent pas. En effet, les catalyseurs qui maintiennent leur activité ne montrent aucune formation de carbone ; tandis que les catalyseurs qui se désactivent sont recouverts de carbone en filament, en plus de l’obstruction du réacteur par du carbone. Les performances de ce catalyseur sont basées sur des paramètres spécifiques: a) la stabilité de la phase spinelle et la distribution nanométrique, très homogène, de cette phase sur le support ; b) la présence de l’YSZ comme co-support et la stabilisation de la zircone avec une quantité appropriée d’yttrine pour engendrer des lacunes d’oxygène
Nanopoudres de ferrite de nickel produites par plasma inductif et analyse in situ de leur comportement thermochimique
No full textDes nanoparticules de ferrite de nickel ont été produites par une technique de plasma induc-tif à jet de solution. En contrôlant le ratio Ni/(Ni+Fe) dans la solution de précurseurs, une grande gamme de nanoparticules monophasées de ferrite de nickel NixFe3-xO4-δ (0 ≤ x ≤ 1) peuvent être produites, ainsi que des nanoparticules multiphasées de NiFe2O4 + (Ni,Fe)O. Des nanoparticules avec deux types de morphologie peuvent être obtenues dépendant de l’endroit où elles sont recueillies dans le réacteur : des octaèdres tronqués facettés, ayant une taille moyenne de 30 nm, ou un petit agglomérat de forme aléatoire, ayant une taille caractéristique de ~3-5 nm. Pour les nanoparticules multiphasées, il est démontré que la phase (Ni,Fe)O se dépose de façon sélective sur les facettes {110} et {111} de la ferrite de nickel, tout en laissant les facettes {100} exposées. En utilisant la même procédure, il est également possible de produire des nanocubes de NiO. Ces résultats démontrent la flexibilité des réacteurs à plasma inductif pour la production de nanoparticules mono ou multiphasées organisées avec un grand rendement. Des analyses de DRX in situ sur ces nanoparticules montrent que la réduction avec H2 enlève l'excès d'oxygène de la maille spinelle, si présent initialement, suivi d'une réduction vers les alliages métalliques (Ni,Fe). Leur réoxydation subséquente avec CO2 mène à un renversement partiel du processus de réduction par H2. Les expériences in situ ont été analysées avec un modèle cristallin qui lie le paramètre de maille d'un spinelle à sa déviation de sa stœchiométrie en oxygène (δ).Abstract : Nickel ferrite spinel nanoparticles were produced by the solution spray induction plasma technique. By controlling the Ni/(Ni+Fe) ratio in the precursor solution, a wide range of single-phased nickel ferrite NixFe3-xO4-δ (0 ≤ x ≤ 1) nanoparticles can be produced, along with multiphased NiFe2O4 + (Ni,Fe)O nanoparticles. Nanoparticles with two types of morphologies can be obtained depending on where they are collected in the reactor: facetted truncated octa-hedrons, with an average size of about 30 nm, or a small-sized random agglomerate, with a characteristic length of ~3-5 nm. For the multiphased nanoparticles, it is demonstrated that the (Ni,Fe)O phase selectively deposits on the {110} and {111} facets of nickel ferrite, while leaving its {100} facet exposed. Using the same procedure, it is also possible to produce nanocubes of NiO. These results show the flexibility of the induction plasma method for the production of organized single or multiphased nanoparticles with a high throughput. In situ XRD catalytic experiments on those nanoparticles show that reduction with H2 will cause the removal of excess oxygen from the spinel lattice, if present initially, followed by a reduction to metallic (Ni,Fe) alloys. Their subsequent reoxidation with CO2 leads to a partial reversal of the H2 reduction process. In situ experiments were enhanced by the development of a crystal-lographic model that links the lattice parameter of a spinel to its deviation from oxygen stoechiometry (δ)
Développement de nouveaux outils statistiques pour l'analyse d'images spectrales à faibles comptes
Full text linkLe projet de maîtrise était axé sur l’utilisation de traitements multivariables afin d’analyser adéquatement des ensembles de données provenant d’imagerie spectrale. Ce mémoire met premièrement en relief la particularité des détecteurs utilisés dans les microscopes, ainsi que les caractéristiques du bruit dans les données acquises.
L’analyse en composantes principales est une méthode qui se trouve dans plusieurs méthodologies de traitements de données d’imagerie spectrale. Celle-ci comprend certains désavantages, dont l’impossibilité d’extraire de réels spectres et des distributions de concentrations des composés en présence dans l’échantillon.
La résolution multivariée de courbes – moindres carrés alternatifs est une méthodologie qui a été popularisée dans les années 2000. Celle-ci permet de contrer les désavantages de l’analyse en composantes principales en extrayant des spectres physiquement cohérents et en créant des cartes de concentrations associées à ces spectres.
Cependant, ce mémoire démontre que cette méthode est inefficace lorsque les données ont un très faible ratio signal sur bruit et que plusieurs composants sont à extraire. Des améliorations à la résolution multivariée de courbes – moindres carrés alternatifs sont donc apportées. Notamment, la caractéristique du bruit des données, connue et documentée à la suite de nombreuses études, est utilisée afin d’améliorer la convergence de l’algorithme vers la bonne solution.
Ce mémoire démontre que ces améliorations sont appliquées avec succès sur des ensembles de données d’imagerie spectrale provenant de spectrométrie photoélectronique X, d’analyse dispersive en énergie et de spectroscopie des pertes d’énergie
Étude de la faisabilité et de l’efficacité énergétique de la catalyse hétérogène assistée par induction électromagnétique à l’aide de la ferrite de nickel
Full text linkDans le cadre de la mise en marché des technologies de synthèse d’hydrocarbures « propres », l’efficacité énergétique des unités de catalyse est un enjeu important. Dans ce contexte, le chauffage spécifique du catalyseur par induction électromagnétique apparaît comme une avenue ayant un grand potentiel d’économie d’énergie. Ce mémoire de maîtrise présente donc l’utilisation de la ferrite de nickel (NiFe2O4) dans une application de catalyse en phase gazeuse assistée par induction électromagnétique du catalyseur.
Tout d’abord, le développement d’une formulation catalyseur-matrice extrudable ayant comme ingrédient actif de la ferrite de nickel nanométrique est présenté. Ensuite, le potentiel de chauffage et l’activité catalytique de cette formulation sont démontrés par des essais réalisés avec le système de chauffage par induction ainsi que dans un réacteur catalytique conventionnel. Ainsi, la ferrite de nickel pure est capable d’atteindre une température apparente moyenne de 295 °C lorsque chauffée par une bobine alimentée avec un courant de 600 A oscillant à 170 Hz, ce qui est supérieur à la température d’activation de la réaction de gaz à l’eau inverse rapportée dans la littérature. Lorsque chauffée à 300 °C dans un four tubulaire, une formulation composée de 27% du catalyseur est en mesure d’effectuer la réaction de manière découplée. Sans ferrite de nickel, par contre, une formulation semblable est incapable de produire du CO.
En troisième lieu, l’efficacité énergétique du chauffage par induction est étudiée par le biais d’une étude comparative opposant un réacteur de catalyse assisté par induction à un réacteur de catalyse hétérogène chauffé de manière conventionnelle. Cette étude ne permet pas de déterminer lequel des réacteurs utilise le plus efficacement l’énergie. Elle montre cependant que l’induction électromagnétique est de loin supérieure au chauffage en fournaise en termes de rapidité, ce qui peut avantager cette première dans des applications de catalyse en cuvée. L’étude montre également que cette même méthode a le désavantage de générer des gradients de température importants au sein du lit catalytique, de sorte que la température moyenne de celui-ci est difficile à mesurer.
Finalement, les échantillons utilisés dans le cadre de cette étude montrent systématiquement une perte de masse et un changement de coloration localisé dont la nature exacte reste à déterminer
Étude des performances et de la désactivation par empoisonnement au soufre du catalyseur spinelle Ni-UGSO : cas du reformage autothermique du méthane
Full text linkL’utilisation des énergies fossiles est de plus en plus croissante et du fait que ces réserves soient épuisables, le monde se tourne de plus en plus vers d’autres sources d’énergie, dans le but de diversifier les sources et ralentir la consommation des sources fossiles.
La production et l’utilisation de l’hydrogène s’inscrivent dans ce mouvement de transition énergétique. Ayant diverses applications, l’hydrogène est de plus en plus utilisé et représente un élément important dans le secteur énergétique. Si divers procédés permettent de produire cette molécule, le reformage à la vapeur du méthane reste à l’heure actuelle le procédé qui permet de produire 94% de l’hydrogène mondial.
Les travaux réalisés ont pour but de produire l’hydrogène pour diverses applications, parmi lesquelles les piles à combustible. Le reformage du méthane peut se faire de plusieurs façons : à la vapeur, à sec ou par oxydation partielle. Aussi, ces procédés nécessitent l’usage de catalyseur afin d’améliorer la cinétique et la productivité de la réaction.
Les scientifiques mènent des recherches autour de divers catalyseurs afin de trouver ceux qui couteraient moins chers et présenteraient de bonnes performances catalytiques lors du reformage du méthane. C’est dans cette optique que s’inscrivent les travaux réalisés tout au long de ce doctorat.
Un résidu minier nommé UGSO (Upgraded Slag Oxides) constituant un déchet provenant d’une unité de production de scorie de titane nommée UGS (Upgraded Slag), a été utilisé pour préparer un catalyseur en y ajoutant du nitrate de nickel hexahydraté, par la méthode de préparation à l’état solide améliorée. Le catalyseur obtenu, nommé Ni-UGSO (breveté) a montré des propriétés remarquables lors de divers procédés de reformage du méthane ou d’huiles pyrolytiques.
Le premier objectif des travaux de cette recherche consistait à déterminer les conditions autothermiques pour lesquelles le Ni-UGSO présenterait de bonnes performances catalytiques. Aussi, il convenait d’apporter une explication préliminaire à l’activité observée du catalyseur. Le deuxième objectif consistait à étudier la désactivation du catalyseur Ni-UGSO et diverses méthodes de régénération de ce catalyseur.
Il en ressort des expériences qu’aux conditions autothermiques : 850°C, pression atmosphérique, CH4/CO2 = 3 et CH4/O2 = 2 (ratios molaires), débit volumique des réactifs de 4500+/- 100 ml/(h.gcat), le catalyseur présente une bonne activité et une stabilité sur 2 jours de réaction. Le méthane est converti à 99% et des rendements de 98% et 95% en H2 et CO respectivement sont obtenus. De façon préliminaire, l’activité du catalyseur serait liée à un effet synergétique du nickel métallique, de la solution solide NiO-MgO, des oxydes NiO et MgO et du spinelle MgAl2O4. Ces éléments constituent le Ni-UGSO aux conditions autothermiques déterminées. L’étude de la désactivation du Ni-UGSO a montré que comparé aux catalyseurs rapportés dans la littérature, le Ni-UGSO, exposé à 275 ppm de H2S ne se désactive pas complètement (la conversion du méthane décroit de 99 à 40%). Une fois le catalyseur désactivé, la méthode de régénération permettant de récupérer intégralement l’activité initiale du catalyseur est la calcination à 900 °C, en présence d’oxygène. Celle-ci reforme les spinelles initiaux du Ni-UGSO, en assurant une distribution atomique du nickel
Étude des performances et de la désactivation par empoisonnement au soufre du catalyseur spinelle Ni-UGSO : cas du reformage autothermique du méthane
No full textL’utilisation des énergies fossiles est de plus en plus croissante et du fait que ces réserves soient épuisables, le monde se tourne de plus en plus vers d’autres sources d’énergie, dans le but de diversifier les sources et ralentir la consommation des sources fossiles.
La production et l’utilisation de l’hydrogène s’inscrivent dans ce mouvement de transition énergétique. Ayant diverses applications, l’hydrogène est de plus en plus utilisé et représente un élément important dans le secteur énergétique. Si divers procédés permettent de produire cette molécule, le reformage à la vapeur du méthane reste à l’heure actuelle le procédé qui permet de produire 94% de l’hydrogène mondial.
Les travaux réalisés ont pour but de produire l’hydrogène pour diverses applications, parmi lesquelles les piles à combustible. Le reformage du méthane peut se faire de plusieurs façons : à la vapeur, à sec ou par oxydation partielle. Aussi, ces procédés nécessitent l’usage de catalyseur afin d’améliorer la cinétique et la productivité de la réaction.
Les scientifiques mènent des recherches autour de divers catalyseurs afin de trouver ceux qui couteraient moins chers et présenteraient de bonnes performances catalytiques lors du reformage du méthane. C’est dans cette optique que s’inscrivent les travaux réalisés tout au long de ce doctorat.
Un résidu minier nommé UGSO (Upgraded Slag Oxides) constituant un déchet provenant d’une unité de production de scorie de titane nommée UGS (Upgraded Slag), a été utilisé pour préparer un catalyseur en y ajoutant du nitrate de nickel hexahydraté, par la méthode de préparation à l’état solide améliorée. Le catalyseur obtenu, nommé Ni-UGSO (breveté) a montré des propriétés remarquables lors de divers procédés de reformage du méthane ou d’huiles pyrolytiques.
Le premier objectif des travaux de cette recherche consistait à déterminer les conditions autothermiques pour lesquelles le Ni-UGSO présenterait de bonnes performances catalytiques. Aussi, il convenait d’apporter une explication préliminaire à l’activité observée du catalyseur. Le deuxième objectif consistait à étudier la désactivation du catalyseur Ni-UGSO et diverses méthodes de régénération de ce catalyseur.
Il en ressort des expériences qu’aux conditions autothermiques : 850°C, pression atmosphérique, CH4/CO2 = 3 et CH4/O2 = 2 (ratios molaires), débit volumique des réactifs de 4500+/- 100 ml/(h.gcat), le catalyseur présente une bonne activité et une stabilité sur 2 jours de réaction. Le méthane est converti à 99% et des rendements de 98% et 95% en H2 et CO respectivement sont obtenus. De façon préliminaire, l’activité du catalyseur serait liée à un effet synergétique du nickel métallique, de la solution solide NiO-MgO, des oxydes NiO et MgO et du spinelle MgAl2O4. Ces éléments constituent le Ni-UGSO aux conditions autothermiques déterminées. L’étude de la désactivation du Ni-UGSO a montré que comparé aux catalyseurs rapportés dans la littérature, le Ni-UGSO, exposé à 275 ppm de H2S ne se désactive pas complètement (la conversion du méthane décroit de 99 à 40%). Une fois le catalyseur désactivé, la méthode de régénération permettant de récupérer intégralement l’activité initiale du catalyseur est la calcination à 900 °C, en présence d’oxygène. Celle-ci reforme les spinelles initiaux du Ni-UGSO, en assurant une distribution atomique du nickel
Synthèse par plasma de catalyseurs hétérogènes spinelles MFe2O4 (M= Cu, CuNi)
No full textDans la majorité des procédés industriels, nous retrouvons à une certaine étape l’usage d’une réaction catalytique. Ces réactions catalytiques sont très souvent des réactions homogènes nécessitant l’utilisation de métaux nobles comme le Ru et Ir. En plus d’avoir recours aux métaux nobles, les procédés homogènes nécessitent des étapes complexes pour séparer les catalyseurs des produits formés. Ceci rend la réutilisation du catalyseur difficile, ce qui pose un problème au niveau économique et environnemental. Un effort est donc fait pour développer de nouveaux catalyseurs recyclables à base de métaux abondants. Cependant, les méthodes de synthèse utilisées requièrent plusieurs longues étapes ainsi que des recuits pour former les catalyseurs, ce qui a pour effet de fritter les nanostructures. Ce projet de maitrise présente donc la synthèse plasma RF de nanoparticules ferrites MFe2O4 [M = Cu, Ni0.5Cu0.5] magnétiques pouvant être utilisées comme catalyseur hétérogène. La synthèse plasma est une voie de synthèse d’une seule étape qui permet de former en grande quantité des nanoparticules avec un contrôle précis de leur taille et de leur morphologie. En premier lieu, une série de synthèse CuxFe3-xO4 couplée à une caractérisation chimique, structurale et morphologique a permis de comprendre la formation des nanoparticules dans le réacteur plasma. Les propriétés uniques de la synthèse plasma permettent de synthétiser facilement et rapidement des nanoparticules de ferrites de cuivre décorées par des clusters de CuO et Cu(0) à leur surface. En deuxième lieu, la synthèse plasma RF de nanoparticules (Ni0.5Cu0.5)Fe2O4 ainsi que son succès pour la catalyse de l’amination d’alcool sont présentés. En combinant une caractérisation exhaustive à l’optimisation des rendements catalytiques, les rôles du Ni, Cu et du Fe dans la réaction ont pu être déterminés. Ces résultats ont été présentés dans un article publié conjointement avec Dr Alain Li, étudiant ayant complété un doctorat à l'Université McGill, dans la revue ChemCatChem
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