Catalyseurs à base de Ni-Fe/biochar et de déchet inorganique industriel pour la production du méthane renouvelable à partir du syngas issu de la gazéification de biomasse

La production de méthane renouvelable à partir du gaz de synthèse issu de la gazéification de la biomasse solide permet de conjuguer la valorisation du carbone biogénique, le stockage d'énergie et la substitution du gaz naturel fossile. Toutefois, ce procédé repose principalement sur des catalyseurs au Ni et un syngas très épuré (cf. notamment pour l'élimination des goudrons), ce qui augmente le coût global. Cette thèse explorera une voie plus circulaire combinant le craquage catalytique des goudrons et la méthanation grâce à des catalyseurs à faible coût élaborés à partir de biochar et de résidus contenant du Ni et du Fe, issus de l'industrie minière et de secteurs connexes. L'hypothèse centrale est que la structure et la chimie de surface du biochar, associées à des sites interfaciaux Ni-Fe-C optimisés et à l'ajout d'un résidu inorganique, peuvent favoriser la méthanation du CO et du CO2 tout en convertissant une fraction résiduelle contrôlée de goudrons. Le projet vise à établir les relations entre la composition du catalyseur, la structure du biochar, la configuration des sites actifs, les voies réactionnelles et la désactivation dans des conditions plus réalistes. Les catalyseurs seront formulés par pyrolyse à partir d'un mélange de biomasse et de résidus inorganiques riches en Ni et Fe. L'objectif est de produire un matériau composite constitué d'un biochar à porosité développée et de nanoparticules de Ni-Fe actives pour la méthanation catalytique, le tout associé à des oxydes inorganiques favorisant le craquage des goudrons. Les catalyseurs ainsi produits feront l'objet d'une caractérisation approfondie au centre RAPSODEE (France). La modélisation DFT permettra de modéliser des sites représentatifs de Ni, Fe et Ni-Fe supportés sur des structures carbonées. Les calculs d'adsorption et des étapes élémentaires de réaction impliquant H2, CO, CO2 et des molécules modèles de goudrons fourniront des descripteurs liés la performance des catalyseurs. Le criblage catalytique s'appuiera dans un premier temps sur des mélanges gazeux synthétiques pour évaluer, séparément et conjointement, la méthanation du CO et du CO2, l'influence de la vapeur d'eau et de la composition du gaz, ainsi que le comportement de composés modèles de goudrons sélectionnés. Les catalyseurs seront caractérisés avant et après utilisation afin d'analyser l'évolution de leur propriétés structurelles et de surface. Cette démarche permettra d'identifier les propriétés clés favorisant la méthanation du CO et du CO2 et d'optimiser la préparation des catalyseurs. Les catalyseurs les plus prometteurs seront ensuite testés à l'UC3M (Espagne) en utilisant du gaz de synthèse réel à faible teneur en goudrons (< 10 g/Nm³), produit par gazéification en lit fluidisé de biomasse solide, après élimination en amont des particules ainsi que des composés soufrés et chlorés. Le déficit en hydrogène sera compensé par un apport supplémentaire d'hydrogène renouvelable. Des essais de stabilité seront également réalisés. L'une des hypothèses fondamentales du projet est que le faible coût et l'origine (à partir de déchets) de ces catalyseurs pourraient rendre économiquement acceptable un certain degré de désactivation, permettant ainsi une régénération ou un remplacement périodique plutôt que d'exiger la très longue durée de vie attendue des catalyseurs conventionnels plus coûteux. En combinant la modélisation DFT, des techniques de caractérisation avancées, et des essais expérimentaux, le projet apportera des connaissances mécanistiques et des critères de conception pour des catalyseurs de méthanation issus de bioressources et de déchets. La complémentarité des expertises des deux équipes offrira au doctorant une formation interdisciplinaire couvrant la modélisation moléculaire, la catalyse, et l'expérimentation sur les procédés thermochimiques. À terme, le projet fournira les bases scientifiques du concept BtX plus simple et circulaire. École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Direction : Doan PHAM MINH Financement : MSCA COFUND BEST