FR2876996A1 - Utilisation d'oxyhydrures mixtes de terre rare et de metal pour la conversion d'alcanes en co et h2 a basse temperature - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne l'utilisation d'un matériau à base d'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare, pour catalyser une réaction d'oxydation partielle d'un alcane en un mélange de H2 et CO à une température inférieure à 600°C.L'invention concerne également des piles à combustibles utilisables à basse température mettant en oeuvre cette réaction.

Description

La présente invention a trait à un procédé de conversion d'alcanes en un
mélange de CO et H2 par une réaction d'oxydation partielle. Cette réaction d'oxydation partielle est en particulier utilisable pour fournir à l'anode d'une pile à combustible de type SOFC un mélange de CO et H2, à partir d'un alcane tel
que le méthane présent dans le gaz naturel ou bien encore à partir de cycloalcanes.
L'oxydation partielle d'un alcane est une réaction bien connue, dont l'équation bilan peut s'écrire sous la forme suivante: CnH2n+2 + (n/2) 02 -> '(n+1) H2 + n CO io (CnH2n+ (n/2) 02 n H2 + n CO, clans le cas d'un cycloalcane) Pour plus de détails concernant cette réaction, on pourra notamment se reporter à Science, vol. 259, p.343 (1993) ou à Nature, vol. 344, p. 319 (1990).
Cette réaction d'oxydation partielle est en particulier utilisée pour la préparation d'hydrogène à partir d'alcanes, notamment à partir du méthane qui est l'alcane le plus intéressant à cet égard, dans la mesure où il présente le plus fort rapport H/C. Ainsi, la réaction d'oxydation partielle est notamment employée pour convertir le gaz naturel, riche en méthane, en un mélange de CO et H2 (mélange dit "gaz de synthèse").
Quelle que soit son utilisation, la réaction d'oxydation partielle des alcanes est généralement conduite en présence d'un catalyseur. Dans ce cadre, de nombreux types de catalyseurs ont été proposés, notamment des catalyseurs à base de métaux supportés ou bien encore des catalyseurs de type oxydes métalliques. Certains de ces catalyseurs se sont révélés intéressants en termes de conversion de l'alcane et de sélectivité en hydrogène formé. Néanmoins, pour obtenir une telle activité catalytique, la mise en oeuvre de températures élevées est le plus souvent requise. Ainsi, des activités catalytiques réellement intéressantes sont plutôt obtenues en mettant en oeuvre des températures de l'ordre de 700 à 800 C.
Une utilisation particulière de la réaction d'oxydation partielle des 30 alcanes en un mélange de CO et d'H2 est celui des piles à combustibles, en particulier les piles à combustibles de type SOFC (pile à combustible à électrolyte oxyde solide).
Les piles à combustibles mettent en oeuvre, au niveau de leur anode, une réaction de réduction de l'hydrogène. Classiquement, l'hydrogène utilisé dans ce cadre est introduit en tant que tel dans la pile, ce qui nécessite un stockage d'hydrogène en quantité importante. Notamment pour éviter un tel stockage d'hydrogène, une autre technologie a été développée, qui consiste à introduire dans la pile non pas de l'hydrogène, mais un combustible de type alcane (notamment du gaz naturel, riche en méthane), qui est converti in situ io en gaz de synthèse (CO+H2), fournissant ainsi à l'anode l'hydrogène nécessaire à la réaction de réduction.
Pour convertir le combustible de type alcane en gaz de synthèse au sein de la pile à combustible, un procédé utilisé est celui du réformage, qui met en oeuvre des réactions endothermiques, du type suivant: CnH2n+2 + n CO2 --> (n+1) H2 + 2n CO (réformage sec) CnH2n+2 +n H2O -* (2n+1) H2 + n CC) (réformage vapeur) Compte tenu du caractère endothermique de ces réactions, les procédés de réformage présentent l'inconvénient majeur de nécessiter la mise en oeuvre d'une énergie importante, ce qui se répercute notamment en termes de coûts du procédé.
Aux procédés de réformage précités, on préfère donc des procédés mettant en oeuvre une oxydation partielle du combustible, qui présente l'avantage d'être exothermique, et donc d'exiger un apport d'énergie moindre que dans les réactions de réformage.
Cela étant, les procédés développés dans ce cadre nécessitent la mise en oeuvre de températures élevées, typiquement bien supérieures à 600 C, pour obtenir une conversion efficace de l'alcane associée à une sélectivité importante de formation de l'hydrogène.
Ces températures importantes sont susceptibles de conduire à la formation de carbone (phénomène de cokage), ce qui peut empoisonner le catalyseur, ou plus simplement, encrasser la pile et nuire à son efficacité.
De plus, la nécessité de mettre en oeuvre des températures élevées interdit la mise en oeuvre de certaines technologies pour les piles à combustibles. Ainsi, par exemple, des piles à combustible mettant en oeuvre un dispositif de type réacteur à plaques en acier, envisagées par exemple dans J. s Electrochem. Soc. 149, vol. 7, p.59 (2002), sont en général utilisées à des températures de l'ordre de 500 C au plus, températures auxquelles la plupart des catalyseurs de l'oxydation partielle des alcanes actuellement connus ont des activités catalytiques médiocres.
Par ailleurs, un enjeu important serait l'obtention de piles à combustibles io mettant en oeuvre la réaction d'oxydation partielle d'alcane capables de fonctionner à des températures encore plus faibles, par exemple entre 15 et 200 C, et de préférence à température ambiante (typiquement entre 15 et 30 C), ce que les catalyseurs actuellement utilisés pour la réaction d'oxydation partielle d'alcane ne permettent pas d'obtenir avec une efficacité acceptable.
Un but de la présente invention est de fournir un procédé de conversion d'alcanes en H2 et CO, qui soit économiquement intéressant et qui soit au moins aussi efficace que les procédés actuels en termes de conversion de l'alcane et de sélectivité de la formation d'hydrogène, mais à plus basse température.
Dans ce cadre, l'invention se fixe en particulier pour but de fournir un procédé de conversion d'alcane en hydrogène efficace qui soit adapté à une mise en oeuvre au sein d'une pile à combustible, notarnment dans une pile à combustible de type SOFC, sans nécessiter des températures de travail élevées.
A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention propose l'utilisation d'un matériau à base d'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare pour catalyser une réaction d'oxydation partielle d'un alcane en un mélange de H2 et CO, à une température inférieure à 600 C.
Par "terre rare", on entend, au sens de la présente description, un élément choisi parmi le groupe constitué par le scandium, l'yttrium et les lanthanides, les lanthanides étant les éléments de numéro atomique compris entre 57 et 71, à savoir les éléments allant du lanthane au lutécium, de façon inclusive.
Par ailleurs, au sens de la présente description, le terme "oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare" désigne un solide qui comprend des cations métalliques d'une ou plusieurs terres rares, des cations métalliques d'un ou plusieurs io éléments métalliques autre qu'une terre rare, des anions 02- et des ions hydrures.
Selon un premier mode de réallisation, cet oxyhydrure mixte a la structure d'un oxyde intermétallique de la ou des terre(s) rare(s) et du ou des élément(s) métallique(s) et comprend en outre des ions hydrures au sein de is lacunes anioniques du réseau cristallin de cet oxyde intermétallique.
Alternativement, l'oxyhydrure utilisé selon l'invention peut également être un mélange de plusieurs oxydes métalliques distincts à base de la ou des terre(s) rare(s) et du ou des autres élément(s) métallique(s), où tout ou partie de ces oxydes comprennent des ions hydrures au sein de lacunes anioniques de leur réseau cristallin. Le cas échéant, l'oxyhydrure mixte contient de préférence au moins un oxyhydrure de la ou des terre(s) rare(s), à savoir un oxyde de la ou des terre(s) rare(s) incluant des ions hydrures au sein de lacunes anioniques de son réseau cristallin.
Ainsi, selon une variante, l'oxyhyclrure mixte peut être constitué d'un mélange de plusieurs oxyhydrures, ce rnélange étant par exemple sous la forme de cristallites d'oxyhydrures à base du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares dispersés au sein d'une matrice à base d'un oxyhydrure de la ou des terre(s) rare(s).
Selon une autre variante possible, l'oxyhydrure mixte peut également 3C être à base d'un mélange comprenant d'une part des oxyhydrures et d'autre part des oxydes ne comprenant pas d'ions hydrures Le cas échéant, les oxyhydrures comprennent avantageusement un ou plusieurs oxyhydrures à base de la ou des terre(s) rare(s) et un oxyde à base du ou des autres élément(s) métallique(s). Selon ce mode particulier, le catalyseur peut par exemple comprendre des cristallites d'oxydes à base du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares dispersés au sein d'une matrice à base d'un oxyhydrure de la ou des terre(s) rare(s).
Les travaux des inventeurs ont permis de mettre en évidence que, de façon tout à fait inattendue, les matériaux à base d'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre io rare du type précité se révèlent des catalyseurs particulièrement efficaces de la réaction d'oxydation partielle d'un alcane en CO et H2, et ce à basse température.
Ainsi, ces catalyseurs permettent d'obtenir des résultats très intéressants à la fois en termes de taux de conversion de l'alcane et de 15 sélectivité en hydrogène formé, à des températures inférieures à 600 C.
Par "taux de conversion de l'alcane" dans une réaction d'oxydation partielle d'un alcane, on entend, au sens de la présente description, le rapport C suivant (exprimé en pourcentage) : C = (N'alcane N'alcane)/ N'alcane où : - N'alcane représente le nombre de mole d'alcane introduit Nfalcane représente le nombre de mole d'alcane restant après la réaction Par ailleurs, par "sélectivité en hydrogène formé" dans une réaction d'oxydation partielle d'un alcane, on entend le rapport S suivant (exprimé en 25 pourcentage) : S = NfH2 i 2(Nialcane Nfalcane) où : - N'alcane représente le nombre de moles d'alcane introduit - Nfalcane représente le nombre de moles d'alcane restant après la réaction; et NfH2 représente le nombre de moles d'hydrogène formé au cours de la réaction.
Les inventeurs ont en fait constaté qu'en utilisant un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare, on peut obtenir des taux de conversions d'alcanes qui peuvent être supérieurs à 50%, par exemple supérieurs ou égaux à 60%, et le plus souvent supérieurs ou égaux à 70%, avec, dans le même temps, des sélectivités en hydrogène formé pouvant atteindre 50%, voire au moins 70%, et même 80%, et ce à des températures inférieures à 600 C.
io Ces propriétés intéressantes de catalyse à basse température sont tout à fait surprenantes au vu des résultats observés avec les catalyseurs de l'oxydation partielle d'alcanes actuellement connus, où des températures élevées sont nécessaires pour obtenir à la fois une conversion de l'alcane élevée, et une sélectivité en hydrogène formé qui soit acceptable.
is De façon encore plus inattendue, les travaux des inventeurs ont permis de mettre en évidence que des oxyhydrures mixtes d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare présentent en général une activité catalytique intéressante sur une large gamme de température. Ainsi, le plus souvent, ces oxyhydrures permettent d'obtenir une bonne conversion de l'alcane et une bonne sélectivité en hydrogène formé, même à température ambiante (à savoir à des températures de 15 à 30 C, par exemple de l'ordre de 20 C).
Ainsi, il s'avère qu'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare peut être utilisé pour catalyser une réaction d'oxydation partielle d'un alcane en un mélange de H2 et CO à une température comprise entre 20 et 500 C, en obtenant à la fois des valeurs élevées de conversion de l'alcane et de sélectivité en hydrogène formé. Des résultats intéressants sont obtenus pour des températures supérieures ou égales à 50 C, et plus encore pour des températures supérieures ou égales à 100 C. Néanmoins, dans le cas le plus général, il n'est pas nécessaire que la température de mise en oeuvre de la réaction d'oxydation partielle soit supérieure à 400 C pour que des propriétés catalytiques intéressantes soient observées. Ainsi, des propriétés très avantageuses sont obtenues par exemple à des températures entre 50 et 350 C. Typiquement, des réactions d'oxydation partielle conduites à des températures de l'ordre de 200 C (par exemple entre 150 C et 250 C) mènent à l'obtention de résultats intéressants en termes de conversion de l'alcane et de sélectivité en hydrogène formé.
Les travaux des inventeurs ont permis d'établir que des résultats avantageux sont en particulier observés lorsque l'oxyhyclrure mis en oeuvre est obtenu en traitant par de l'hydrogène un mélange séché ou calciné d'oxydes io et/ou d'hydroxydes de la (ou des) terre(s) rare(s) et du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares.
Ainsi, selon un mode de réalisation particulièrement intéressant, il est avantageux que l'oxyde mixte utilisé selon l'invention soit obtenu selon un procédé comprenant les étapes suivantes: (A) réaliser un mélange d'hydroxydes de la (ou des) terre(s) rare(s) et du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares; (B) soumettre le mélange d'hydroxydes de l'étape (A) à un séchage et/ou à un traitement thermique; et (C) mettre en contact le solide issu de l'étape (B) avec de l'hydrogène.
Le "mélange d'hydroxydes" formé dans l'étape (A) peut, de façon générale, être tout mélange comprenant des cations métalliques de la (ou des) terre(s) rare(s) et du ou des élément(s) rétallique(s) autre(s) que des terres rares et des ions OH ce mélange pouvant par exemple être un hydroxyde mixte intermétallique ou un mélange physique de plusieurs hydroxydes métalliques. De façon avantageuse, le mélange d'hydroxydes réalisé dans l'étape (A) est un hydroxyde intermétallique de la (ou des) terre(s) rare(s) et du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares.
De préférence, l'étape (A) est effectuée en réalisant une coprécipitation de sels métalliques de la (ou des) terre(s) rare(s) et du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares en milieu basique, en général, en additionnant une solution aqueuse ou hydroalcoolique des sels métalliques correspondants à une base, notamment de type amine (par exemple la triéthylamine). Dans ce cadre, les sels métalliques mis en oeuvre sont avantageusement des nitrates.
En règle générale, notamment lorsque le mélange d'hydroxydes de l'étape (A) est obtenu par coprécipitation en milieu basique, le mélange d'hydroxydes obtenu est le plus souvent récupéré par filtration, et il est ensuite avantageusement lavé, par exemple par de l'eau et/ou par un alcool (méthanol io ou éthanol par exemple), ce lavage étant, le cas échéant, préférablement effectué par un mélange eau/alcool, par exemple un mélange eau/méthanol.
L'étape (B) peut, selon un mode de réalisation particulier, consister en un simple séchage du mélange d'hydroxydes obtenu dans l'étape (A).
Selon un autre mode de réalisation, l'étape (B) comprend un traitement thermique du mélange d'hydroxyde. Le cas échéant, ce traitement thermique est avantageusement précédé par une étape de séchage du mélange d'hydroxyde, notamment pour permettre une montée en température homogène lors du traitement thermique.
Lorsqu'un traitement thermique est mis en oeuvre dans l'étape (B), il est de préférence réalisé à une température au moins égale à 300 C, avantageusement au moins égale à 400 C, cette température restant toutefois de préférence inférieure à 700 C, et plus préférentiellement inférieure à 600 C. De façon particulièrement avantageuse, on préfère que cette température soit de l'ordre de 500 C. De façon préférentielle, ce traitement thermique est réalisé en portant le mélange d'hydroxydes de l'étape (A) à la température de calcination avec un gradient de montée en température contrôlé, ce gradient de montée en température étant avantageusement compris entre 10 C par heure et 500 C par heure, et de préférence entre 25 C par heure et 100 C par heure.
En ce qui concerne l'étape (C), les inventeurs ont mis en évidence que le solide obtenu à l'issue de l'étape (B) se comporte comme un "réservoir d'hydrogène" particulièrement apte à incorporer des ions hydrures dans sa structure cristalline lorsqu'il est mis en contact avec de l'hydrogène. Sans vouloir être lié à une théorie particulière, les travaux des inventeurs permettent d'avancer que les propriétés catalytiques obtenues pour l'oxyhydrure sont d'autant plus intéressantes que la quantité d'ions hydrures incorporés dans le solide lors de l'étape (C) est élevée. Dans ce cadre, les inventeurs ont mis en évidence qu'il existe une température optimale de traitement dans l'étape (C), permettant d'obtenir une incorporation maximale d'ions hydrures. Cette température optimale dépend de la nature de la (ou des) terre(s) rare(s) et du to et des autre(s) élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares. Elle peut aisément être déterminée pour un solide donné en observant la quantité d'hydrogène absorbée par le solide à différentes températures. En règle générale, cette température optimale est comprise entre 25 C et 1000 C, et le plus souvent entre 150 et 350 C.
II est avantageux que le traitement de l'étape (C) soit effectué à une température de l'ordre de la température optimale précitée permettant une incorporation maximale d'ions hydrures dans le catalyseur. A cet effet, l'étape (C) est typiquement conduite à une température comprise entre 25 C et 500 C, par exemple entre 150 C et 350 C, par exemple entre 180 et 250 C (typiquement à une température de l'ordre de 200 C).
Selon un autre mode de réalisation envisageable, l'oxyde mixte utilisé selon l'invention peut également être obtenu selon un procédé comprenant les étapes suivantes: (A') déposer un mélange à base d'hydroxydes de la (ou des) terre(s) rare(s) sur un support à base d'un oxyde du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares; (B') soumettre le mélange d'hydroxydes déposé sur support de l'étape (A') à un séchage et/ou à un traitement thermique; et (C') mettre en contact le solide issu de l'étape (B) avec de l'hydrogène. 20
Le cas échéant, les étapes (B') et (C') sont avantageusement mises en oeuvre dans les mêmes conditions de température que les étapes (B) et (C) précitées.
Quel que soit son mode exact d'obtention, l'oxyhydrure mixte utilisé selon l'invention présente avantageusement un rapport molaire terre(s) rare(s) / autre(s) élément(s) métallique(s) compris entre 1: 0,01 et 1: 10, ce rapport étant de préférence compris entre 1:0,05 et 1:6.
Ainsi, selon un mode de réalisation particulièrement intéressant, l'oxyhydrure mixte utilisé selon l'invention répond à la formule générale (I) ci-dessous: T Ma O: Hy (I) dans laquelle: - T représente une terre rare., ou un mélange de terres rares, T étant avantageusement le cérium ou un mélange de terres rares comprenant le cérium; - M désigne un élément métallique, ou un mélange d'éléments métalliques, autre(s) qu'une terre rare, M étant avantageusement choisi parmi les éléments Zr, AI, Ni, Pt, Pd, Cu, Mn, Fe, Cr, Co, Rh, Ru, Ir, Os, Mo, V, Ti, W, Au, Zn, Nb, et les mélanges de ces éléments; - a est compris entre 0,01 et 10, par exemple entre 0,02 et 8 (typiquement entre 0,05 et 6); - x est compris entre 1 et 10; et - y est compris entre 0,1 et 100.
De façon encore plus avantageuse, l'oxyhydrure rnixte utilisé répond à la formule générale (II) ci-dessous: T M1a1 M2a2: Ox Hy (II) dans laquelle: 1cG 2876996 Il - T représente une terre rare, ou un mélange de terres rares; - M' désigne un métal choisi parmi Zr ou Al; - M2 désigne un élément métallique, ou un mélange d'éléments métalliques, autre(s) que le zirconium, l'aluminium et les terres rares, par exemple Ni, Pt, Pd, Cu, Mn, Fe, Cr, Co, Rh, Ru, Ir, Os, Mo, V, Ti, W, Au, Zn, Nb, ou un mélange de deux ou plusieurs éléments, M2 étant avantageusement le nickel, ou, alternativement le platine ou le palladium (où le nickel est préféré, car moins onéreux) ; al est compris entre 0 et 1; a2 est compris entre 0,01 el: 10, a2 étant généralement inférieur ou égal à 8, a2 étant le plus souvent entre 0,05 et 5; - x est compris entre 1 et 10; et - y est compris entre 0,1 et 100.
Ainsi, selon une première variante de l'invention, l'oxyhydrure mixte utilisé répond à la formule générale (Ila) ci-dessous: T Zrai M2a20x Hy (Ila) dans laquelle - T, M2, a2, x et y ont les significations précitées; et 20 - al est compris entre 0,1 et 1.
Dans le cadre de cette première variante, T représente avantageusement le cérium. Ainsi, l'oxyhydrure mixte répond avantageusement à la formule (lia-1) suivante: Ce Zrai M2a2 Ox Hy (Ila-1) dans laquelle M2, a1, a2, x et y ont les significations précitées.
Plus préférentiellement encore, l'oxyhydrure mixte répond à la formule (Ila-2) suivante: Ce Zrai Nia2 Ox Hy (Ila-2) dans laquelle a1, a2, x et y ont les significations précitées, al étant de s préférence compris entre 0,4 et 0,6, et a2 étant de préférence entre 0,5 et 5.
Ainsi, par exemple, l'oxyhydrure utilisé peut avantageusement être un oxyhydrure ternaire de cérium, zirconium et nickel répondant à la formule générale (Ila-3) suivante: Ce Zro,5 Nia2 Ox Hy (Ila-3) dans laquelle a2, x et y ont les significations précitées, a2 étant de préférence entre 1 et 5.
Ainsi, à titre d'oxyhydrures utilisables selon la première variante de l'invention, on peut notamment citer les oxyhydrures qui sont décrits dans la demande FR 2 846 648. Se révèlent notamment intéressants dans ce cadre les 1.5 oxyhydrures de formule (Ila-3) où a2 = 1, 3, 4 ou 5.
Selon une deuxième variante de l'invention, l'oxyhydrure mixte utilisé répond à la formule générale (Ilb) ci-dessous: T Ala1 M2a20x Hy (Ilb) dans laquelle - T, M2, a2, x et y ont les significations précitées; et al est compris entre 0,1 et 1.
Là encore, T représente avantageusement le cérium et l'oxyhydrure mixte (Ilb) selon cette deuxième variante répond de préférence à la formule 25 (Ilb-1) suivante: Ce Ale M2a2 O,,: Hy (Ilb-1) dans laquelle M2, a1, a2, x et y ont les significations précitées.
Plus avantageusement, l'oxyhydrure mixte répond à la formule (Ilb-2) suivante: Ce AlaI Nia2 Ox Hy (Ilb-2) dans laquelle a1, a2, x et y ont les significations précitées, al étant par exemple compris entre 0,4 et 0,6, et a2 étant de préférence entre 0,5 et 5.
Ainsi, par exemple, l'oxyhydrure utilisé selon cette variante peut avantageusement être un oxyhydrure ternaire de cérium, aluminium et nickel, répondant à la formule générale (Ilb-3) suivante: Ce AI0,5 Nia2 Ox Hy (Ilb-3) dans laquelle a2, x et y ont les significations précitées, a2 étant de préférence entre 1 et 5. Se révèlent notamment intéressants les oxydes de formule (Ilb-3) dans lesquels a2 = 1 ou 3.
Selon une troisième variante de l'invention, l'oxyhydrure mixte utilisé 15 répond à la formule générale (Ilc) ci-dessous: TM2a2OXHy (Ilc) dans laquelle T, M2, a2, x et y ont les significations précitées.
Plus avantageusement, l'oxyhydrure mixte répond à la formule (I1c-1) suivante: Ce M2a2 Ox Hy (Ilc-1) dans laquelle M2, a2, x et y ont les significations précitées.
Ainsi, par exemple, l'oxyhydrure utilisé selon cette variante peut avantageusement être un oxyhydrure binaire de cérium et nickel répondant à la formule générale (Ilc-2) suivante: Ce Nia2 Ox Hy (Ilc-2) dans laquelle a2, x et y ont les significations précitées, a2 étant de préférence entre 0,05 et 2, par exemple entre 0,1 et 1 et typiquement entre 0,2 et 0,8.
Quelle que soit leur nature exacte, les oxyhydrures de la présente invention se révèlent particulièrement utiles pour réaliser la conversion d'alcanes en un mélange de CO et de H2 à basse température.
Dans ce cadre, selon un aspect particulier, la présente invention a spécifiquement pour objet l'utilisation des oxyhydrures de l'invention pour réaliser la conversion de méthane, par exemple du méthane contenu dans du gaz naturel, en un mélange de CO et de H2, dans les gammes de température précitées, avantageusement entre 15 et 500 C, et de préférence à une température inférieure à 400 C, plus avantageusement à une température inférieure à 300 C, et typiquement entre 20 et 300 C, par exemple entre 50 et 250 C.
Selon un autre aspect particulier, la présente invention a également pour objet l'utilisation des oxyhydrures de l'invention pour réaliser la conversion d'un cycloalcane, par exemple le cyclohexane ou un mélange le contenant, en un mélange de CO et de H2 dans les gammes de température précitées, et de préférence à une température inférieure à 400 C, par exemple à une température inférieure ou égale à 350 C.
Selon encore un autre aspect plus spécifique, les oxyhydrures de l'invention se révèlent avantageux pour une mise en oeuvre au sein d'une pile à :20 combustible, notamment au sein d'une pile à combustible de type SOFC.
Dans ce cadre, l'invention a en particulier pour objet un procédé de génération d'un courant ou d'une tension électrique au moyen d'une pile à combustible, le plus souvent une pile de type SOFC, où ladite pile à combustible comprend, à titre d'anode, un matériau à base d'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare tel que défini précédemrnent, et où la pile à combustible est utilisée en fournissant un alcane au niveau de ladite anode à une température de fonctionnement inférieure 600 C, le procédé pouvant être utilisé dans les gammes de températures faibles précitées, par exemple à des températures :;o inférieures à 400 C, notamment à moins de 300 C, et typiquement entre 25 et 250 C.
L'invention a également pour objet les piles à combustibles, en particulier de type SOFC, pour la mise en oeuvre du procédé précité, ces piles à combustibles comprenant: - une anode à base d'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et 5 d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare tel que défini précédemment; et - des moyens d'acheminement d'un alcane à ladite anode.
Dans ces piles à combustibles, l'anode peut être essentiellement io constituée par l'oxyhydrure mixte. Toutefois, selon un mode de réalisation plus intéressant en particulier d'un point de vue économique, l'anode comprend ledit oxyhydrure mixte à l'état supporté sur un support solide, notamment un support à base d'un oxyde inorganique, comme par exemple un support de silice.
Les piles à combustibles de l'invention comprennent en général, en outre, des moyens de régulation de la température de fonctionnement à une température inférieure à 600 C, et de préférence clans les gammes de température précitées.
Toutefois, selon un aspect plus particulier, l'invention concerne également des piles à combustibles plus spécifiques, destinées à fonctionner à température ambiante (typiquement à des températures entre 15 C et 30 C), qui sont dépourvues de moyens de chauffage. Les oxyhydrures de l'invention, qui présentent des propriétés catalytiques acceptables, voire très bonnes dans certains cas, permettent la préparation de telles piles à combustibles, en particulier de type SOFC, fonctionnant à très basse température. Les caractéristiques et différents avantages de la présente invention
apparaîtront de façon encore plus nette au vu des exemples illustratifs exposés ci-après.
EXEMPLES Exemple 1
Préparation de catalyseurs à base d'oxyhydrures ternaires de cérium, zirconium et nickel On a préparé plusieurs catalyseurs (1A à 1E) à base d'oxyhydrures ternaires de cérium, zirconium et nickel présentant un rapport molaire zirconium/cérium de 0,5 et différents rapports molaires nickel/cérium. En lo d'autres termes, ces catalyseurs sont à base d'un oxyhydrure de formule CeZro,5Nia2OXHy (formule I1a-3), présentant différentes valeurs de a2 qui sont indiquées dans le tableau 1 ci-après. Ces catalyseurs 1A à 1 E ont été préparés selon les étapes 1.1 à 1.3 suivantes: 1.1. Préparation d'un mélanqe d'hydroxydes de cériurn, de zirconium et de nickel par coprécipitation des nitrates métalliques correspondants en milieu basique.
On a réalisé une solution de nitrates de cérium, de zirconium et de nickel en mélangeant: (i) 20 ml d'une solution aqueuse de nitrate de cérium de concentration 0, 5M; (ii) 10 ml d'une solution aqueuse de nitrate de zirconium de concentration 0,5M; et (iii) un volume VI de (20 x a2) ml d'une solution aqueuse de nitrate de nickel de concentration 0,5M, où a2 est le rapport molaire nickel/cérium recherché pour l'oxyhydrure du catalyseur. Les volumes de solution aqueuse de nitrate de nickel utilisés dans chaque cas sont reportés dans le tableau 1 ci-dessous.
Le mélange réalisé a été mis sous agitation pendant 10 minutes.
La solution obtenue à l'issue du mélange a été additionnée goutte à 3C goutte dans un volume V2 d'une solution de triéthylamine à 1,5M dans le méthanol. Le volume V2 utilisé dans chaque cas est reporté dans le tableau 1 ci-après. Au cours de cette addition, on a observé la formation d'un précipité d'hydroxydes métalliques.
Le mélange d'hydroxydes ainsi forrné a été récupéré par filtration (filtre de porosité 3), puis il a été lavé et rincé par un volume total équivalent au volume récupéré, et ce 5 fois, par de l'eau et par du méthanol.
1.2. Séchage, et éventuelle calcination sous air à 500 C Le mélange d'hydroxyde lavé obtenu à l'issu de l'étape précédente a été séché à 120 C à l'étuve pendant 12 heures. On a alors obtenu un solide qui a ensuite été broyé dans un mortier sous la forme d'une fine poudre.
io Hormis dans le cas de la préparation du catalyseur 1B, la poudre obtenue à l'issue du broyage précédent a ensuite été portée à 500 C sous air, avec une vitesse de montée en température de 30 C par heure. Le solide a été maintenu à 500 C pendant 4 heures, suite à quoi on l'a laissé refroidir jusqu'à la température ambiante.
is Les catalyseurs soumis à l'étape de calcination seront désignés ici par le terme de catalyseurs "calcinés", par opposition au catalyseur 1B, dit "séché".
1.3. Traitement par l'hydrogène Le solide issu de l'étape 1.2 a ensuite été traité sous un flux d'hydrogène à une température de 200 C pendant 12 heures, ce par quoi on a obtenu le catalyseur à l'état activé, prêt pour une mise en oeuvre dans la réaction d'oxydation partielle d'un alcane.
Les différentes caractéristiques des catalyseurs 1A à 1F et de leur procédé de préparation sont reportées dans le tableau 1 ci-après.
Tableau 1: les catalyseurs 1A à 1E (de type CeZro,5Nas Catalyseur 1A 1B 1C 1 D 1E 1 F Valeur de a2 3 3 3 1 4 5 Type de catalyseur Calciné Séché Calciné et Calciné Calciné Calciné supporté(') Volume V1 de 60 ml 60 ml 60 ml 20 ml 80 ml 100 ml solution de nitrate de nickel employé dans le mélange de l'étape 1.1 Volume V2 de 112 ml 112 ml 112 ml 62,5 ml 138m1 163 ml solution de triéthylamine utilisée pour la coprécipitation (*) : le catalyseur 1C comprend l'oxyhydrure à l'état supporté sur de la silice. 5
Exemple 2
io Préparation de catalyseurs à base d'oxyhydrures ternaires de cérium, aluminium et nickel On a préparé deux catalyseurs (2A et 2B) à base d'oxyhydrures ternaires de cérium, aluminium et nickel, présentant un rapport molaire aluminium/cérium de 0,5 et deux rapports molaires nickel/cérium distincts. Ces catalyseurs sont à base d'un oxyhydrure de formule CeAlo,5Nia2OxHy, (formule Ilb-3), présentant différentes valeurs de a2 qui sont spécifiées dans le tableau 2 ci-après. Ces catalyseurs 2A et 2B ont été préparés selon les étapes 2.1 à 2.3 suivantes: 2.1. Préparation d'un mélanqe d'hydroxydes de cérium, d'aluminium et de nickel par coprécipitation des nitrates métalliques correspondants en milieu basique.
On a réalisé une solution de nitrates de cérium, d'aluminium et de nickel en mélangeant: (i) 20 ml d'une solution aqueuse de nitrate de cérium de concentration 0, 5M; (ii) 10 ml d'une solution aqueuse de nitrate d'aluminium de concentration 0,5M; et (iii) un volume V1 de (20 x a2) ml d'une solution aqueuse de nitrate de nickel de concentration 0,5M, où a2 est le rapport molaire nickel/cérium recherché pour l'oxyhydrure du catalyseur. Les volumes de solution aqueuse de nitrate de nickel utilisés dans chaque cas sont reportés dans le tableau 2 ci-dessous.
Le mélange réalisé a été mis sous agitation pendant 10 minutes.
La solution obtenue à l'issue du rnélange a été additionnée goutte à goutte dans un volume V2 d'une solution de triéthylamine à 1,5M dans le méthanol. Le volume V2 utilisé dans chaque cas est reporté dans le tableau 2 ci-après. Au cours de cette addition, on a observé la formation d'un précipité d'hydroxydes métalliques.
Le mélange d'hydroxydes ainsi forrné a été récupéré par filtration (filtre de porosité 3), puis il a été lavé et rincé par un volume total équivalent au volume récupéré, et ce 5 fois, par de l'eau et par du méthanol.
2.2. Séchaqe et calcination sous air à 500" C Le mélange d'hydroxyde lavé obtenu à l'issu de l'étape précédente a été séché à 120 C à l'étuve pendant 12 heures. On a alors obtenu un solide qui a ensuite été broyé dans un mortier sous la forme d'une fine poudre.
La poudre obtenue à l'issue du broyage précédent a ensuite été portée à 500 C sous air, avec une vitesse de montée en température de 30 C par heure. Le solide a été maintenu à 500 C pendant 4 heures, suite à quoi on l'a laissé refroidir jusqu'à la température ambiante.
2.3. Traitement par l'hydroqène Le solide issu de l'étape 2.2 a ensuite été traité sous un flux d'hydrogène à une température de 200 C pendant 12 heures, ce par quoi on a obtenu le catalyseur à l'état activé, prêt pour une mise en oeuvre dans la réaction d'oxydation partielle d'un alcane.
Les différentes caractéristiques des catalyseurs 2A à 2B et de leur procédé de préparation sont reportées dans le tableau 2 ci-dessous.
Tableau 2: les catalyseurs 2A et 2B(de type CeAlo_sNiaZZ Catalyseur 2A 2B Valeur de a2 1 3 Type de catalyseur C:alciné Calciné Volume V1 de solution de nitrate 20 ml 60 ml de nickel employé dans le mélange de l'étape 2.1 Volume V2 de solution de 62,5 ml 112,5 ml triéthylamine utilisée pour la coprécipitation
Exemple 3
Préparation de catalyseurs à base d'un oxyhydrure binaire de cérium et nickel On a préparé plusieurs catalyseurs (3A à 3D) à base d'oxyhydrures binaires de cérium et de nickel présentant différents rapports molaires nickel/cérium. Ainsi, ces catalyseurs sons: à base d'un oxyhydrure de formule CeNia2OxHy (formule Ilc-2), avec différentes valeurs de a2, indiquées dans le tableau 3 ci-après. Ces catalyseurs 3A à 3D ont été préparés selon les étapes 3.1 à 3.3 suivantes: 3.1. Préparation d'un mélanqe d'hydroxydes de cérium et de nickel par coprécipitation des nitrates métalliques correspondants en milieu basique.
On a réalisé une solution de nitrates de cérium, de zirconium et de nickel 25 en mélangeant: (i) 20 ml d'une solution aqueuse de nitrate de cérium de concentration 0, 5M; et (ii) un volume V1 de (20 x a2) ml d'une solution aqueuse de nitrate de nickel de concentration 0,5M, où a2 est le rapport molaire nickel/cérium recherché pour l'oxyhydrure du catalyseur. Les volumes de solution aqueuse de nitrate de nickel utilisés dans chaque cas sont reportés dans le tableau 3 ci-dessous.
Le mélange réalisé a été mis sous agitation pendant 10 minutes.
La solution obtenue à l'issue du mélange a été additionnée goutte à goutte dans un volume V2 d'une solution de triéthylamine à 1,5M dans le méthanol. Le volume V2 utilisé dans chaque cas est reporté dans le tableau 3 ci-après. Au cours de cette addition, on a observé la formation d'un précipité d'hydroxydes métalliques.
Le mélange d'hydroxydes ainsi formé a été récupéré par filtration (filtre 15 de porosité 3), puis il a été lavé et rincé par un volume total équivalent au volume récupéré, et ce 5 fois, par de l'eau et par du méthanol.
3.2. Séchage, et éventuelle calcination sous air à 500 C Le mélange d'hydroxyde lavé obtenu à l'issu de l'étape précédente a été séché à 120 C à l'étuve pendant 12 heures. On a alors obtenu un solide qui a 20 ensuite été broyé dans un mortier sous la forme d'une fine poudre.
La poudre obtenue à l'issue du broyage précédent a ensuite été portée à 500 C sous air, avec une vitesse de montée en température de 30 C par heure. Le solide a été maintenu à 500 C pendant 4 heures, suite à quoi on l'a laissé refroidir jusqu'à la température ambiante.
2.5 3.3. Traitement par l'hydroqène Le solide issu de l'étape 3.2 a ensuite été traité sous un flux d'hydrogène à une température de 200 C pendant 12 heures, ce par quoi on a obtenu le catalyseur prêt pour sa mise en oeuvre dans la réaction d'oxydation partielle d'un alcane.
Les différentes caractéristiques des catalyseurs 3A à 3D et de leur procédé de préparation sont reportées dans le tableau 3 ci-dessous.
Tableau 3: les catalyseurs 3A à 3D(de type CeNia2 Catalyseur 3A.3B 3C 3D Valeur de a2 0,2 0,5 0,7 5 Type de catalyseur Calciné Calciné Calciné Calciné Volume V1 de solution de 4 ml 10 ml 14 ml 100 ml nitrate de nickel employé dans le mélange de l'étape 3.1 Volume V2 de solution de 30 ml 37,5 ml 42,5 ml 150 ml triéthylamine utilisée pour la coprécipitation
Exemple 4
Utilisation des catalyseurs des exemples 1 à 3 pour la réaction d'oxydation partielle du méthane.
Les catalyseurs 1A à 1F, 2A, 2B et 3A à 3D, obtenus dans les exemples précédents, ont été mis en oeuvre pour réaliser la catalyse de la réaction d'oxydation partielle du méthane en un mélange de H2 et CO.
Dans chaque cas, la réaction a été réalisée en faisant circuler, dans un réacteur tubulaire à lit fixe en acier inoxydable contenant 200 mg de catalyseur, un flux gazeux à base d'un mélange de CH4, 02 et N2, avec un rapport molaire CH4: 02: N2 de 3: 1:3. Dans chaque cas, le catalyseur est déposé dans le réacteur sur un lit de carborundum inerte (SiC) organisé en une succession de couches de diamètre de grains décroissants (lit d'environ 5 cm3 de volume, comprenant une première couche de diamètre de grain égal à 2,38 mm (volume: 2cm3), une deuxième couche diamètre de grain égal à 1,19mm (volume: 1,5 cm3) et une troisième couche diamètre de grain égal à 0,48 mm (cette troisième couche contient un volume de carborundum inerte égal à celui du catalyseur, mélangé au catalyseur)).
En pratique, les étapes 1.3, 2.3 et 3.3 de traitement par de l'hydrogène des exemples 1 à 3 sont effectuées au sein du réacteur tubulaire qui est utilisé s pour la réaction d'oxydation partielle. Suite au traitement sous hydrogène, le réacteur est purgé par un courant d'hélium pendant 30 minutes, avant l'introduction du mélange de gaz réactifs pour la réaction d'oxydation partielle.
Une fois l'équilibre atteint pour la réaction d'oxydation partielle, le flux gazeux sortant du réacteur est analysé par chromatographie en phase gazeuse ic à l'aide d'un chromatographe de type <c Shimatdzu GC 9 associé à une interface permettant le traitement des signaux du FID et du catharomètre, utilisant le logiciel de données pour établir et traiter le chromatogramme. Cette analyse révèle la présence de H2, CO, N2 02, CH4 et CO2 en sortie du réacteur. Sur la base des données quantil:atives issues de la chromatographie, la conversion du CH4 et de l'oxygène ainsi que la sélectivité en les différents produits formés sont calculées, à l'équilibre par les formules suivantes: É taux de conversion du méthane (exprimé en pourcentage) : CCH4 = (d' CH4 df CH4)I di CH4 É taux de conversion de l'oxygène (exprimé en pourcentage) : 002 = (di O2 df 02Y d' 02 É sélectivité en hydrogène formé (exprimée en pourcentage) : S H2 = df H2 / 2 (d' CH4 df CH4) É sélectivité en CO formé (exprimée en pourcentage) : S co = df co I (d' CH4 df CH4) É sélectivité en CO2 formé (exprimée en pourcentage) : S CO2 = dfCO2 / (d' CH4 df CH4) avec les significations suivantes: - d' CH4 et d' O2 représentent respectivement les débits en méthane et 02 entrant dans le réacteur; et - df CH4, df H2, df 02, df co et df c02 représentent respectivement les débits en méthane, H2, 02, CO et CO2 en sortie de 5 réacteur.
Les résultats obtenus pour les différents catalyseurs à des températures comprises entre 50 et 200 C et avec différents débit du gaz réactif (CH4 + 02 + N2) sont reportés dans le tableau 4 ci-après.
io Dans la réaction, un grand soin a été porté à la régulation de la température. En particulier, on utilise notamment un thermocouple permettant le contrôle de la température effective du lit catalytique.

Claims (1)

  1. 26 REVENDICATIONS
    1. Utilisation d'un matériau à base d'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare, pour catalyser une réaction d'oxydation partielle d'un alcane en un mélange de H2 et CO à une température inférieure à 600 C.
    2. Utilisation selon la revendication 1, pour catalyser une réaction d'oxydation partielle d'un alcane en un mélange de H2 et CO à une température comprise entre 20 et 500 C.
    3. Utilisation selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, où l'oxyhydrure mixte mis en oeuvre est obtenu en mettant en contact de l'hydrogène avec un mélange d'oxydes et/ou d'hydroxyde de la (ou des) terre(s) rare(s) et du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares.
    4. Utilisation selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, où l'oxyhydrure mixte mis en oeuvre est obtenu selon un procédé comprenant les étapes suivantes: (A) réaliser un mélange d'hydroxydes de la (ou des) terre(s) rare(s) et du ou des élément(s) métallique(s) autre(s) que des terres rares; (B) soumettre le mélange d'hydroxydes de l'étape (A) à un séchage et/ou à un traitement thermique; et (C) mettre en contact le solide issu de l'étape (B) avec de l'hydrogène.
    5. Utilisation selon l'une des revendications 1 à 4, où, dans l'oxyhydrure mixte, le rapport molaire terre(s) rare(s) / autre(s) élément(s) métallique(s) est compris entre 1: 0,01 et 1: 10.
    6. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, où l'oxyhydrure mixte répond à la formule générale (1) ci-dessous: 2876996 27 T Ma Ox Hy (1) dans laquelle: T représente une terre rare, ou un mélange de terres rares; M désigne un élément métallique, ou un mélange d'éléments métalliques autre(s) qu'une terre rare; a est compris entre 0, 01 et 10; x est compris entre 1 et 10; et y est compris entre 0,1 et 100.
    7. Utilisation selon la revendication 6, où l'oxyhydrure mixte répond à la formule générale (II) ci-dessous: T Mlal M2a2 Ox Hy (II) dans laquelle: T représente une terre rare, ou un mélange de terres rares; MI désigne un métal choisi parmi Zr ou Al; - M2 désigne un élément métallique, ou un mélange d'éléments métalliques, autre(s) que le zirconium, l'aluminium et les terres rares; a1 est compris entre 0 et 1; a2 est compris entre 0,01 et 10; x est compris entre 1 et 10; et y est compris entre 0,1 et 100.
    8. Utilisation selon la revendication 7, où l'oxyhydrure mixte répond à la formule générale (Ila) ci-dessous: T Zrai M2a20x Hy (Ila) dans laquelle T, M2, a2, x et y ont les significations données dans la revendication 6; et 21. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, pour produire, à partir d'un alcane, un mélange de CO et de H2 au niveau de l'anode d'une pile à combustible, à une température inférieure à 600 C.
    22. Procédé de génération d'un courant ou d'une tension électrique au moyen d'une pile à combustible, ladite pile à combustible étant une pile comprenant, à titre d'anode, un matériau à base d'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare tel que défini dans l'une des revendications 1 à 15, et où la pile à combustible est utilisée en fournissant un alcane au niveau de ladite anode à une température de fonctionnement inférieure 600 C.
    23. Pile à combustible pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 22, comprenant: - une anode à base d'un oxyhydrure mixte d'au moins une terre rare et d'au moins un élément métallique autre qu'une terre rare tel que défini dans l'une des revendications 1 à 15; et - des moyens d'acheminement d'un alcane à ladite anode.
    26. Pile à combustible selon la revendication 23, comprenant des moyens de régulation de la température de fonctionnement à une température inférieure à 600 C.
    27. Pile à combustible selon la revendication 23, pour un fonctionnement à température ambiante, qui est dépourvue de moyens de chauffage.
    28. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 23 à 25, où l'anode est essentiellement constituée par ledit oxyhydrure mixte.
    27. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 23 à 25, où l'anode comprend ledit oxyhydrure mixte à l'état supporté sur un support à base d'un oxyde métallique.
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