Experimental study and mathematical modeling of catalytic partial oxidation of methane to synthesis gas over monolith catalyst at short contact times

The main objective of the thesis was to develop a monolith-type structured reactor for the efficient catalytic partial oxidation of methane to synthesis gas. The investigated catalysts comprised Pt as noble or Ni as base metal supported on CeO2-ZrO2 mixed oxides introduced as wall coatings of corundum monolith substrates. It was possible to elucidate the effect of different dopants modifying the mixed oxide on oxygen storage properties and to establish the impact of process parameters on the CPOM performance of single monolith channels at short contact times. A mechanistic study revealed important factors, like surface and bulk adspecies nature and dynamics, the interaction between Pt and CeO2-ZrO2 playing a key role for catalyst activity. Kinetic experiments demonstrated that Pt is required for reforming reactions and showed a significant reactivity of the doped CeO2-ZrO2 support in the oxidative methane activation. A mathematical description of the experimental data was achieved with a model accounting mainly for the activity of Pt. The later was found significantly higher than that of the support although TAP investigations indicated that a more oxidized catalyst shows higher methane activation ratesCette étude a pour objectif principal de développer un réacteur structuré de type monolithe pour atteindre des performances élevées en oxydation partielle du méthane en gaz de synthèse. Les catalyseurs étudiés sont à base de Pt et Ni comme métaux noble et non noble, respectivement, supportés sur un oxyde mixte CeO2-ZrO2 et déposés sur les parois d'un monolithe en corundum. Le rôle de différents dopants introduits dans le support oxyde mixte du catalyseur vis à vis du stockage-déstockage d'oxygène a été élucidé et l'influence des conditions opératoires et des paramètres du procédé sur les performances d'un élément mono canal du monolithe a été précisée. Une étude mécanistique a révélé d'importants facteurs comme la nature et la dynamique des espèces de surface et de coeur et montré que l'interaction entre le Pt et l'oxyde mixte CeO2-ZrO2 déterminait l'activité du catalyseur. Des expériences cinétiques ont démontré que le Pt est requis pour les réactions de reformage mais que le support CeO2-ZrO2 dopé pouvait présenter une activité non négligeable pour l'activation oxydante du méthane. Une modélisation mathématique des données expérimentales a été réalisée avec un modèle prenant en compte essentiellement l'activité du Pt. Cette dernière a été trouvée très supérieure à celle du support. Cependant des expériences en réacteur TAP ont montré qu'une oxydation du catalyseur permettait une vitesse d'oxydation du méthane supérieureLYON1-BU.Sciences (692662101) / SudocSudocFranceF