webTV

Lecture

Carlos Adrian Correa Florez, MINES ParisTech PhD, PERSEE center

Lecture

Smart4RES

Lecture

CoRDÉES : gouvernance énergétique de quartier

Lecture

Prédiction solaire pour des suiveurs photovoltaïques

Lecture

The REstable project

+ Toutes les vidéos

 

31734201882018920190242182500926551281442815929043295192960129616301163026130316303213032530329303523039830429304383088430999310173102231180312483125031253313143135931432315453154631547315873161031734 Conversion d’hydrogène pour la synthèse de composés azotés par plasmocatalyse

Conversion d’hydrogène pour la synthèse de composés azotés par plasmocatalyse

Conversion of hydrogen for nitrogenous compounds synthesis by plasma-catalysis

Proposition de thèse

Spécialité

Energétique et génie des procédés

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

ROHANI Vandad

Co-encadrant

FABRY Frédéric

Unité de recherche

Energétique et Procédés

Contact
Date de validité

01/10/2020

Site Web
Mots-clés

Hydrogène, Ammoniac , Composés azotés, Chimie physique, Cinétique chimique, Milieux hors-équilibre

Hydrogen, Ammonia, Nitrogenous compounds, Physical chemistry, Chemical kinetics, Non-equilibrium media

Résumé

CONTEXTE ET ENJEU DE LA THESE
L’hydrogène est un composé qui suscite de plus en plus d’intérêt dans le contexte de la transition énergétique du fait d’une oxydation ne produisant que de l’eau. Jusqu’ici essentiellement produit pour des applications chimiques (70 MtH2/an) – Une grande partie de la production d’hydrogène mondiale servant à la synthèse d’ammoniac (170 MtNH3/an), molécule indispensable à l’agriculture (engrais), à l’industrie des polymères (plastiques) et à l’armement (explosifs) – il est à présent pressenti pour devenir un vecteur énergétique de premier plan. Cependant, son point faible réside dans le fait que c’est un gaz de très faible densité rendant son stockage, son transport et son utilisation embarquée très difficiles. Le convertir chimiquement de façon réversible avec un faible surcoût énergétique en un gaz plus dense ou un liquide permettrait de résoudre cela. Une piste serait l’utilisation d’azote (élément abondant et à relativement faible coût) pour produire un composé hydro-azoté plus lourd tel qu’un azane (ammoniac, hydrazine, etc.). La conversion d’hydrogène en ammoniac dans ce cadre pourrait alors s’avérer extrêmement intéressante. Sous sa forme gazeuse (NH3) ou aqueuse (NH4OH), l’ammoniac se placerait comme nouveau vecteur, de transition (vecteur d’hydrogène) ou de substitution (vecteur d’énergie), aux caractéristiques physiques comparables aux hydrocarbures conventionnels. Le problème est qu’en l’état actuel des connaissances, cette conversion bien qu’exothermique a des coûts énergétique et économique trop élevés pour l’envisager à cette fin énergétique. En effet, le procédé thermocatalytique Haber-Bosch qui produit aujourd’hui plus de 90% de l’ammoniac mondial à destination de la chimie souffre d’un faible rendement chimique par cycle et requiert des conditions opératoires particulièrement énergivores (hautes pression et température). Malgré de nombreux travaux de recherche et développements menés au cours de ce dernier siècle – le prix Nobel de Chimie 2007, Gerhard Ertl, ayant consacré une partie de sa carrière à chercher à en comprendre les mécanismes chimiques hétérogènes fondamentaux – les coûts énergétiques et économiques du procédé restent élevés. D’importants efforts scientifiques continuent toutefois à être investis pour tenter d’améliorer le procédé, amélioration qui constitue à ce jour l’un des défis scientifiques aux retombées industrielles les plus importantes. Parmi les pistes d’amélioration possibles, la solution consistant à substituer la thermocatalyse par de la plasmocatalyse hors-équilibre s’avère extrêmement prometteuse. En effet, en empruntant des chemins réactionnels totalement inédits en milieu fortement hors-équilibre, celle-ci pourrait conduire à réduire les coûts énergétique et économique du procédé en ramenant les conditions opératoires de pression et température proches de l’ambiant tout en gagnant sur le rendement chimique. De plus, son électrification résultante permettrait de faire d’une pierre deux coups et positionnerait ce procédé, si associé avec de l’électrolyse de l’eau ou du craquage plasma de bio-méthane par exemple, comme candidat crédible de Power-to-X.

OBJECTIFS DE LA THESE
L’objectif spécifique de la thèse sera de mettre au point un réacteur de synthèse plasmocatalytique hors-équilibre exploitant un plasma non-thermique à haut degré de contrôle énergétique fonctionnant dans des conditions de pression et température proches de l’ambiant pour la conversion d’hydrogène et d’azote en azanes. L’objectif sur un plan plus fondamental sera de comprendre les mécanismes physicochimiques, leurs interconnexions et leurs cinétiques, mis en jeu dans cette nouvelle voie de synthèse en vue d’une optimisation des rendements chimiques et énergétiques du procédé. L’ammoniac étant le plus simple des azanes, il occupera la majeure partie du programme de la thèse. Cela étant, la thèse abordera aussi l’étude de la synthèse d’azanes supérieurs, voire d’autres composés azotés, à partir d’hydrogène, d’azote et d’un éventuel réactif supplémentaire.

METHODOLOGIE
La thèse proposée ici s’inscrira dans la suite des travaux menés depuis une dizaine d’années sur le sujet de la conversion thermochimique plasmocatalytique au centre PERSEE de Mines ParisTech et comportera deux volets parallèles qui communiqueront ensemble : (i) un volet expérimental consistant à concevoir et étudier un réacteur de synthèse plasmocatalytique de laboratoire sur la base des travaux antérieurs de l’équipe et à l’aide d’un ensemble de dispositifs d’analyses physiques et chimiques que le doctorant s’appropriera, (ii) un volet théorique consistant à proposer puis valider un modèle chimique de synthèse plasmocatalytique d’ammoniac d’abord, puis d’azanes supérieurs ensuite, à partir d’hydrogène et d’azote dans les conditions opératoires choisies à partir des résultats expérimentaux acquis et de la littérature. Sur le plan disciplinaire, la forte synergie entre le plasma et le catalyseur impliquera une égale répartition des efforts entre l’étude du plasma non-thermique et celle de la catalyse hétérogène.

CONTEXT AND CHALLENGE OF THE PHD
Hydrogen is a compound attracting more and more interest in the context of the energy transition due to an oxidation producing only water. Until now mainly produced for chemical applications (70 MtH2/year) – A great part of the global hydrogen production being used for the synthesis of ammonia (170 MtNH3/year), a molecule essential for agriculture (fertilizers), polymers (plastics) and weapons (explosives) – it is now expected to become a leading energy vector. Nevertheless, its weakness is that it is a gas with a very low density making its storage, transport, and on-board use very difficult. Converting hydrogen to a denser gas or a liquid is a relevant solution to solve that. A promising path would be the use of nitrogen (abundant element and relatively low cost) to produce a heavier hydro-nitrogenous compound such as an azane (ammonia, hydrazine, etc.). Thus, in this context also considering the conversion of hydrogen to ammonia could be very interesting. In its gaseous form (NH3) or its aqueous form (NH4OH), would then appear as a new vector, of transition (hydrogen vector) or of substitution (energy vector), with physical characteristics comparable to hydrocarbons. The problem is that this conversion, although exothermic, has high energy and economic costs. The thermo-catalytic Haber-Bosch process which currently produces more than 90% of the world's ammonia destined for chemistry suffers from a low chemical yield per cycle and requires particularly energy-consuming operating conditions (high pressure and temperature). Despite numerous research and development works carried out during this last century – the 2007 Nobel Prize in Chemistry, Gerhard Ertl, devoted part of his career to seek to understand its fundamental heterogeneous chemical mechanisms – the energy and economic costs of the process remain high. However, significant scientific efforts continue to be invested in an attempt to improve the process, improvement which to date is one of the scientific challenges with the greatest industrial interest and benefits. Among the possible solutions for improvement, the one consisting in replacing thermo-catalysis by non-equilibrium plasma-catalysis is particularly interesting. Thanks to new reaction paths followed in a medium far from the equilibrium, this could lead to greatly reducing the energy and economic costs of the process by bringing the operating conditions of pressure and temperature close to the ambient ones while gaining in chemical yield. Moreover, its electrification by this way would also place this process, if associated with water electrolysis or bio-methane plasma cracking for example, as a credible Power-to-X solution.

OBJECTIVES OF THE PHD
The specific objective of the thesis will be to develop a non-equilibrium plasma-catalytic reactor of synthesis exploiting a non-thermal plasma with a high degree of energy control operating under quasi-ambient pressure and temperature conditions for converting hydrogen and nitrogen into azanes. The objective on a more fundamental level will be to understand the physicochemical mechanisms, their interconnections and their kinetics, taking place in this new way of synthesis, with the aim to robustly optimize the chemical and energy yields of this plasma-catalytic process. Ammonia being the simplest azane, this thesis will mainly focus on it. But, it will also address the study on synthesis of higher azanes, even other nitrogenous compounds, from hydrogen, nitrogen and eventually an additional reactant.

METHODOLOGY
The proposed thesis will be part of the work carried out over the last ten years on this subject at the PERSEE research center of Mines ParisTech and will include two parallel components that will communicate together: (i) an experimental component consisting in designing and studying a plasma-catalytic reactor of synthesis based on the previous works of the team and using a set of physical and chemical analysis devices that the PhD candidate will appropriate, (ii) a theoretical part consisting in proposing and then validating a chemical model of plasma-catalytic synthesis of ammonia firstly, and secondly of higher azanes, from hydrogen and nitrogen under the chosen reaction conditions based on the experimental results acquired and the existing literature. Regarding the distribution of the tasks, the strong synergistic coupling between the plasma and the catalyst will imply an equal distribution of efforts between the study of non-thermal plasma and that of heterogeneous catalysis.

Contexte

...

Encadrement

Un comité de suivi sera défini selon les règles de l'Ecole Doctorale.

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche : Physique ou Chimie.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Chimie Physique (en particulier Thermochimie et Cinétique chimique), Chimie de synthèse, Thermodynamique hors-équilibre, Electrocinétique.
Anglais : >B2 soit 750 au TOEIC ou 550 au TOEFL
Français FLE : A2/B1

Pour postuler merci d’envoyer CV, relevé de notes du diplôme d’ingénieur ou du master recherche et lettre de motivation à :
vandad-julien.rohani@mines-paristech.fr ou frederic.fabry@mines-paristech.fr

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Research Master: Physics or Chemistry.

Prerequisites (specific skills for this thesis): Physical Chemistry (in particular Thermochemistry and Chemical Kinetics), Synthetic Chemistry, Out of equilibrium Thermodynamics, Electrokinetics.
English:> B2 either 750 at TOEIC or 550 at TOEFL
French FLE: A2 / B1

To apply, please send CV, transcript of engineering diploma or research master and cover letter to:
vandad-julien.rohani@mines-paristech.fr or frederic.fabry@mines-paristech.fr

Références

***

Type financement

Concours pour un contrat doctoral

Retour à la liste des propositions

Partager

actualité

Production d'Hydrogène Décarboné par Pyrolyse du Méthane : la 3eme voie

Recherche Production d'Hydrogène Décarboné par Pyrolyse du…   L’hydrogène sera très probablement amené à jouer un…
> En savoir +

Le Rapport d'activité 2019 est en ligne

Formation Le Rapport d'activité 2019 est en ligne MINES ParisTech, établissement-composante de…
> En savoir +

L’équipe de PERSEE / MINES ParisTech remporte le challenge international de prévision EEM 2020

International L’équipe de PERSEE / MINES ParisTech remporte le… Le Centre PERSEE est fier d’annoncer que…
> En savoir +

Fabrizio SOSSAN nommé Editeur Associé du journal <i>Sustainable Energy, Grids and Networks</i> (Elsevier)

Recherche Fabrizio SOSSAN nommé Editeur Associé du journal…   Fabrizio Sossan, enseignant-chercheur du Centre…
> En savoir +

Lutte contre la pandémie de coronavirus

Formation Lutte contre la pandémie de coronavirus Vous trouverez sur cette page les dernières consignes en…
> En savoir +

+ Toutes les actualités

Mentions légales efil.fr © 2014 MINES ParisTech