Ce projet serait sous la direction de : Mme Catherine BATIOT DUPEYRAT et Mme Carmen CIOTONEA
Unité de recherche : IC2MP
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
Synthèse de catalyseurs et étude du craquage de l’ammoniac par couplage plasma-catalyse
Synthesis of Catalysts and Study of Ammonia Cracking via Plasma-Catalysis Coupling
Début de thèse : à partir du 01/12/2026
Mots clés : craquage de l’ammoniac, catalyse hérétrogène, plasma non-thermique, synthèse de catalyseurs
Résumé :
Il ne fait aucun doute que l’hydrogène (H2) sera la source d’énergie alternative aux ressources fossiles pour d’industrie (chaleur). Alors que la production décarbonée d’H2 (électrolyse) est industrialisée, son stockage/transport pose des problèmes majeurs en termes de coûts financier et énergétique, et de sécurité. D’autres solutions de stockage sont à l’étude, et l’ammoniac (NH3), de par sa teneur en hydrogène élevée et sa faible plage d’inflammabilité, est un candidat de choix. La décarbonation de la synthèse de NH3 est d’intérêt majeur, mais la réaction de craquage du NH3 (pour produire H2) est toute aussi importante : elle est endothermique (chaleur), et est réalisée industriellement à 650°C sur Ni/Al2O3. Cela entraîne un coût énergétique important, et le développement de procédés moins énergivores (électrifiés, basse T) est d’intérêt. L’activation par plasma non thermique a démontré un réel potentiel. Le couplage plasma-catalyse est étudié depuis peu sur des matériaux classiques (Ni, Fe et Co), actifs dans le procédé thermo-catalytique. Cependant, les catalyseurs utilisés sont, à l’heure actuelle, loin d’être optimisés (composition, dispersion, porosité, structure et surface du support).
Un des objectifs de la thèse est d’optimiser le processus électrifié de craquage du NH3 assisté par plasma non thermique. Ce projet inclut une compréhension approfondie de l’interaction plasma – catalyseur, à des fins
d’optimisation des performances catalytiques et énergétiques du procédé. Le projet est coordonné par IC2MP-UPOITIERS. UCEIV-ULCO contribuera à la synthèse des catalyseurs supportés.
There is no doubt that hydrogen (H₂) will become the alternative energy source to fossil fuels for industrial applications (heat). While the decarbonized production of H₂ (via electrolysis) is already industrialized, its storage and transport present major challenges in terms of financial and energy costs, as well as safety. Other storage solutions are currently being explored, and ammonia (NH₃), owing to its high hydrogen content and narrow flammability range, stands out as a promising candidate. Decarbonizing NH₃ synthesis is of great importance, but the NH₃ cracking reaction (for H₂ production) is equally crucial: it is endothermic (heat) and is industrially performed at around 650 °C over Ni/Al₂O₃ catalysts. This results in a high energy cost, making the development of less energy-intensive (electrified, low-temperature) processes highly desirable. Activation by non-thermal plasma has shown significant potential. Plasma–catalyst coupling has recently been studied using conventional materials (Ni, Fe, and Co) that are active in the thermo-catalytic process. However, the catalysts currently used remain far from optimized in terms of composition, dispersion, porosity, structure, and support surface properties.
The goal of the PhD is to optimize the electrified process of NH₃ cracking assisted by non-thermal plasma. The project involves an in-depth understanding of plasma–catalyst interactions to optimize both the catalytic and energetic performance of the process. The project is coordinated by IC2MP–University of Poitiers. UCEIV–University of the Littoral Côte d’Opale will contribute to the synthesis of supported catalysts.
Contexte et problématique :
L’ammoniac (NH₃) est un intermédiaire majeur dans la production de produits chimiques et d’engrais, avec une production supérieure à 180 Mt/an. Sa production est aujourd’hui exclusivement assurée par le procédé Haber-Bosch (HB), dans lequel le réactif N₂(g) provient de l’air et l’H₂(g) est produit par reformage du CH₄. En raison de l’étape de reformage, ce procédé contribue à environ 1,5 % des émissions mondiales annuelles de CO₂. Outre ses utilisations traditionnelles, l’ammoniac est désormais proposé comme vecteur d’hydrogène grâce à sa forte densité énergétique de 5,2 kWh kg⁻¹ et à sa teneur gravimétrique élevée en hydrogène de 17,6 % en poids. Ensuite, dans un schéma « Power to Ammonia » (PtA), l’excédent d’électricité renouvelable (éolienne, solaire) est converti en H₂ décarboné (électrolyse de l’eau). Les stratégies de stockage et de transport à grande échelle de l’H₂ sont diverses : H₂ liquéfié (basse température); sous forme d’hydrure ; dans des supports organiques liquides d’hydrogène (LOHC) ; dans des composés chimiques (NH₃, CH₄ ou autres composés organiques : alcools,aldéhydes, acides). Dans l’optique du stockage et du transport de l’H₂, la synthèse de l’NH₃ devrait être réalisée à court terme par des procédés thermocatalytiques où l’H₂ issu de l’électrolyse est converti en NH₃ dans des conditions douces (on parle dans la littérature de « mild-HB », à P < 50 bars et T < 300 °C ; à comparer à P = 250 bars et T = 450 °C du procédé HB conventionnel). Le développement de cette nouvelle application de l’ammoniac a stimulé une recherche intense sur la conception de catalyseurs pour la synthèse de l’ammoniac à basse température et basse pression, ainsi que sur de nouvelles classes de catalyseurs destinés à remplacer le catalyseur Fe HB à double promotion, dont l’activité est insuffisante: les nitrures de CoMo, les électrures à base de Ru, Co et Ni,les nitrures de terres rares, les MXènes dopés aux métaux de transition, etc. Parallèlement aux travaux sur les catalyseurs destinés au procédé HB, des recherches intenses ont vu le jour sur des procédés alternatifs de synthèse de l’NH₃ : boucle chimique, électrosynthèse, photosynthèse, mécanosynthèse, synthèse par plasma, etc.
Ammonia (NH3) is a major intermediate for the production of chemicals and fertilizers, being produced at >180 Mt/year. Its production is, today, exclusively achieved with the Haber-Bosch (HB) process where the N2(g) reactant is provided by air and H2(g) is produced by CH4 reforming. Due to the reforming step, the process contributes to ≈1.5% of the worldwide CO2 emissions annually. Apart from the historical NH3 uses, NH3 is now proposed as H2 carrier thanks to its high energy density of 5.2 kWh kg-1 and high hydrogen gravimetric content of 17.6 wt.%. Then, in a Power to Ammonia (PtA) scheme, excess of renewable electricity (wind, solar) is converted to decarbonated H2 (water electrolysis). Strategies for large H2 storage and transport are diverse: liquefied H2 (low temperature); in hydride; in Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC); in chemicals (NH3, CH4 or other organics: alcohols, aldehydes, acids). With the objective of H2 storage and transport [2], the synthesis of NH3 is expected to be performed at short term in thermo-catalytic processes where electrolyzed-issued H2 is converted to NH3 in mild conditions (it refers in the literature to mild-HB, at P<50 bars and T<300°C; to be compared to P=250 bars and T = 450°C of the conventional HB process). The development of this new application of ammonia stimulated an intense research on catalyst design for low T – low P ammonia synthesis, and novel classes of catalysts to replace the not enough active doubly-promoted Fe HB catalyst: CoMo nitrides, Ru and Co, Ni electrides and rare earth nitrides, transition metal- doped MXenes [3,4] etc. In parallel to the research on catalysts for mild-HB process emerged dynamic research on alternative NH3 synthesis processes: chemical looping, electro-synthesis, photo-synthesis, mechano-synthesis, plasma-synthesis, etc.
Description du sujet :
Le sujet de thèse s’inscrit dans le cadre du projet NH3-PLASMA-CRACK financé par l’ANR. Les travaux seront réalisés en partie dans l’Unité de Chimie Environnementale et Interactions sur le vivant (UCEiV) à Dunkerque ainsi qu’à l’Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (IC2MP). Il s’agit d’étudier la réaction de craquage de l’ammoniac par plasma non-thermique assisté par la catalyse. Les matériaux catalytiques synthétisés à l’UCEiV seront testés dans un réacteur plasma mis au point au laboratoire. Les phases actives des catalyseurs seront constituées d’oxydes de métaux de transitions déposées sur des supports comme l’alumine ou la silice, oxydes possédant une faible constante diélectrique et donc appropriés au couplage plasma-catalyse. Ces matériaux seront caractérisés finement avant et après réaction sous décharge plasma. La réaction de craquage de l’ammoniac par plasma non-thermique sera effectuée à pression atmosphérique et faible température (T<300°C). Une étude paramétrique sera développée en vue d’optimiser les rendements en hydrogène (T réaction, puissance, nature du catalyseur). Les résultats seront exprimés sous forme de conversion de l’ammoniac et sélectivité en hydrogène. Une étude cinétique sera réalisée afin de déterminer l’ordre partiel par rapport à NH3 ainsi que l’énergie d’activation de la réaction.
This thesis topic is part of the NH3-PLASMA-CRACK project funded by the ANR. The research will be conducted in part at the Unit of Chimie Environnementale et Interactions sur le vivant (UCEiV) in Dunkirk, as well as at the Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (IC2MP). The goal is to study the cracking reaction of ammonia using non-thermal plasma assisted by catalysis. The catalytic materials synthesized at the UCEiV will be tested in a plasma reactor developed in the laboratory. The active phases of the catalysts will consist of transition metal oxides deposited on supports such as alumina or silica; these oxides have a low dielectric constant and are therefore suitable for plasma-catalysis coupling. These materials will be thoroughly characterized before and after the reaction under plasma discharge. The non-thermal plasma cracking of ammonia will be carried out at atmospheric pressure and low temperature (T < 300°C). A parametric study will be conducted to optimize hydrogen yields (reaction temperature, power, catalyst type). The results will be expressed in terms of ammonia conversion and hydrogen selectivity. A kinetic study will be performed to determine the partial order with respect to NH₃ as well as the activation energy of the reaction.
Méthodologie et mise en œuvre :
– Rédiger un rapport bibliographique permettant de mettre en évidence les avancées significatives réalisées dans le domaine du craquage catalytique de l’ammoniac sous décharge plasma.
– Réaliser la synthèse des matériaux catalytiques
– Effectuer les tests catalytiques sous décharge plasma
– Exploiter et traiter les données obtenues
• Write a bibliographic report highlighting significant advances in the field of catalytic cracking of ammonia under plasma discharge.
• Perform the synthesis of catalytic materials
• Perform catalytic tests under plasma discharge conditions.
• Analyze and process the obtained data.
Profil recherché :
Le/la candidat(e) devra être titulaire d’un diplôme (ou diplômé(e) au cours de l’année universitaire en cours) d’ingénieur et/ou d’un master en chimie. Le poste nécessite de solides connaissances en catalyse hétérogène et des compétences en plasma non-thermique seront appréciées. Il est également souhaitable de posséder de bonnes aptitudes à la communication orale et écrite (en anglais) pour présenter des résultats dans des congrès internationaux ainsi que pour lire et rédiger des articles scientifiques. Nous recherchons un(e) jeune chercheur(euse) qui saura s’impliquer dans son projet, curieux(se), ayant une certaine autonomie et une forte motivation. De plus, la/le candidat(e) devra être apte à travailler en équipe sur un projet pluridisciplinaire.
The candidate must hold a degree (or graduate during the current academic year) in engineering and/or a master’s degree in chemistry. The position requires a good knowledge of heterogeneous catalysis, and skills in non-thermal plasma will be appreciated. Good oral and written communication skills (in English) to present results at international conferences and to read and write scientific papers are also desirable. We are looking for a young researcher who will be able to get involved in his project, curious, with a certain autonomy and a strong motivation. In addition, the candidate must be able to work in a team on a multidisciplinary project.
Contact pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 16/10/26 :
Catherine BATIOT-DUPEYRAT : catherine.batiot.dupeyrat@univ-poitiers.fr