Soutenance de thèse de Amaury Decoster

Pr. PIRAULT ROY Laurence

Rapportrice

Université de Poitiers, Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers

Pr. DATURY Marco

Rapporteur

Université de Caen, Laboratoire de Catalyse et Spectrochimie

Pr. ESPECEL Catherine

Membre

Université de Poitiers,  Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers

Pr.  GRANGER Pascal

Directeur de thèse

Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UMR 8181), Université de Lille

MC. DHAINAUT Fabien

Co-encadrant

Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UMR 8181), Centrale Lille

Spinelle, Combustion catalytique, Méthane, Palladium, Cobalt, Manganèse, Postcombustion, Gaz à effet de serre

Ces travaux de thèse portent sur le développement de catalyseurs de postcombustion automobile pour les moteurs alimentés au gaz naturel. Le méthane imbrûlé en sortie de moteur doit être post-traité sur un catalyseur pour éviter tout rejet dans l’atmosphère en raison de son pouvoir de réchauffement global environ 20 fois supérieur à celui du CO₂.

Les métaux nobles contenus dans les pots catalytiques sont abondamment utilisés. Le métal de choix pour la combustion du méthane est le palladium. Sa forme la plus active en milieu oxydant est le PdO. Pour un fonctionnement en régime trois-voies proche des conditions stœchiométriques et à haute température, le PdO est instable et tend à se décomposer sous forme métallique inactive. Une alternative est donc de disperser le palladium sur un support oxyde capable de produire des espèces d’oxygène actives en milieu appauvri en oxygène gazeux voire de remplacer complètement le palladium par un oxyde métallique tel que le Co₃O₄ ou le Mn₃O₄ reconnu pour sa bonne activité intrinsèque comparable, dans certaines conditions opératoires, à celles des métaux nobles. En revanche, ce type d’oxyde offre une faible stabilité thermique. Nous avons donc développé des oxydes mixtes en introduisant un hétéroatome, le fer, destiné à améliorer leurs performances en combustion du méthane. L’étude structurale des oxydes mixtes de composition Co_xFe_3-xO₄ et Mn_xFe_3-xO₄ par diffraction des rayons X, spectroscopies Raman et Mössbauer a permis de mettre en évidence la présence de différentes phases enrichies en fer, cobalt ou manganèse et d’identifier différents sites interstitiels présentant une symétrie octaédrique ou tétraédrique. L’analyse de surface par spectroscopie des photoélectrons induits par rayons X, physisorption d’azote et thermodésorption d’oxygène a apporté des éléments de discussion pour expliquer leur comportement catalytique et, plus particulièrement, pour caractériser les conditions de pré-traitement du catalyseur propices au développement de leur activité.

Dans un second temps, l’influence de l’ajout du palladium a été étudiée en regardant plus particulièrement la méthode d’ajout, séquentielle par imprégnation, ou au cours de l’élaboration du spinelle. La première méthode permettant de disperser le palladium en surface s’est avérée la plus efficace produisant des catalyseurs plus actifs et plus résistants à la désactivation à haute température. Dans une dernière partie l’étude cinétique de la réaction de combustion du méthane par O₂ a permis d’identifier les fonctionnalités du catalyseur, en particulier de cerner le rôle de l’interface métal-support dans le développement de l’activité catalytique. Les mesures de vitesse de réaction ont été comparées à deux mécanismes de réaction se singularisant par la nature de l’oxygène réactif provenant soit de la phase gaz soit du réseau du spinelle et d’examiner leur contribution dans différentes conditions opératoire notamment en milieu appauvri en oxygène.