Thèse Année : 2024

Hydrogen production by artificial photosynthesis : Modeling of the radiative transfer for spectrophotometry analysis and its kinetic coupling in photoreactor

Production d'hydrogène par photosynthèse artificielle : modélisation du transfert radiatif pour l'analyse de la spectrophotométrie et de son couplage cinétique en photoréacteur

Guillaume Foin
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1548228
  • IdRef : 28518069X

Résumé

To face climate change, fossil fuels can be replaced by solar fuels. Hydrogen is produced by artificial photosynthesis in only one photoreactive step inside a process that is controlled and limited by radiative transfer. In order to optimise the technology, it is necessary to develop predictive and generic multi-scale knowledge models. The model is based on three physics corpus : electromagnetism, radiative transfer and thermokinetic coupling. Optical properties lead to determine radiative properties then transmittivity or photons absorption rate and finally hydrogen production rate. The transmitivity measurement of the spectrophotometer give an intermediate model validation.The radiative transfer modelling allows to analyse spectrophotometer measurement. Spectrophotometers, equipped with an integrating sphere, measure normal-hemispherical transmittivity, which is only defined in an semi-infinite plane parallel in 1D cartesian, but they have their own validity range, according to this assumption. Radiative transfer modelling in 3 dimensions is performed thanks to StarLyX software and allows to determine this validity range and use spectrophotometer outside its 1D validity range, thanks to the device model. The device model requires consideration of four main points : geometry of the cuvette, geometrical optics, integrating sphere influence and baseline. The device model in transmittivity configuration is validated on experimental measurements of reference polystyrene particles. A device model in reflectivity configuration is also evaluated. We can see on three different device that the spectrophotometer can measures the normal-hemispherical transmittivity only in a restricted range of transport optical depth and the baseline don't erase totally the geometrical optics influence. Absorption of the medium decreases the gap between the normal-hemispherical transmittivity and the experimental measurement. Once the 3D device model is validated, particularly on high accuracy spectrophotometer, this one is used to validate radiative properties of spherical cadmium sulfide photocatalysts particles on transmittance experimental measurements.The modelling of thermokinetic coupling with absorption photons rate leads to determine hydrogen production rate, which is then validated in photoreactor experimental measurements. A new thermokinetic law is proposed, first considering an uniform particle model, then generalised in a 3 dimensions particle model. With reification consideration, this law take into account the size of photocatalyst particles and also introduce the dependency of the temperature inside redox kinetic constants. For our photocatalyst particles, according to the literature, the effect of the temperature seems to increase then decrease the hydrogen production rate, with a maximum value reached at 35°C.

Pour limiter le réchauffement climatique, les carburants fossiles peuvent être remplacés par des carburants solaires. L'hydrogène produit par photosynthèse artificielle se fait en une seule étape photoréactive dans un procédé qui est limité et contrôlé par le transfert de rayonnement. Afin d'optimiser la technologie, il est nécessaire de développer des modèles de connaissance multi-échelles prédictifs et génériques. Les propriétés optiques permettent de calculer les propriétés radiatives puis la transmittivité ou la vitesse d'absorption des photons et enfin la vitesse de production d'hydrogène. La mesure de la transmittivité au spectrophotomètre permet une validation intermédiaire du modèle.La modélisation du transfert radiatif permet d'analyser la mesure de spectrophotométrie. Les spectrophotomètres munis d'une sphère d'intégration mesurent une transmittivité normale-hémisphérique, définie dans un modèle de lame semi-infinie en 1D cartésien, mais possèdent chacun leur gamme de validité en accord avec cette hypothèse. La modélisation du transfert radiatif en 3 dimensions se fait avec le logiciel StarLyX et permet de déterminer cette gamme de validité, puis d'utiliser le spectrophotomètre en dehors de sa gamme de validité 1D, grâce au modèle de l'instrument. Le modèle de spectrophotométrie requiert la prise en compte de quatre points importants : la géométrie de la cuve, l'optique géométrique, l'impact de la sphère d'intégration et la ligne de base. Le modèle en mesure de transmittivité est validé sur les mesures expérimentales de particules de polystyrène de référence. Nous constatons sur trois dispositifs différents que le spectrophotomètre mesure la transmittivité normale-hémisphérique dans une gamme restreinte d'épaisseur optique de transport et que la ligne de base ne permet pas de supprimer complètement l'influence de l'optique géométrique. L'absorption du milieu diminue l'écart entre la transmittivité normale-hémisphérique et la mesure expérimentale. Une fois le modèle 3D validé, celui-ci est utilisé pour valider les propriétés radiatives de particules sphériques de photocatalyseur en sulfure de cadmium sur les mesures expérimentales de transmittance.La modélisation du couplage thermocinétique avec la vitesse d'absorption des photons permet de déterminer la vitesse de production d'hydrogène, qui est alors validée expérimentalement en photoréacteur. Une nouvelle loi de couplage est proposée dans ce travail, tout d'abord dans un modèle de particule uniforme, puis elle est généralisée dans un modèle de particule en trois dimensions. Dans un souci de réification, cette loi prend en compte la taille des particules de photocatalyseur et introduit la dépendance en température dans les constantes cinétiques d'oxydoréduction. Pour nos particules de photocatalyseur, conformément à la littérature, l'effet de la température (entre 20 et 65°C) semble augmenter puis diminuer la vitesse de production d'hydrogène, avec un maximum atteint à 35°C.

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  • HAL Id : tel-05096568 , version 1

Citer

Guillaume Foin. Production d'hydrogène par photosynthèse artificielle : modélisation du transfert radiatif pour l'analyse de la spectrophotométrie et de son couplage cinétique en photoréacteur. Génie des procédés. Université Clermont Auvergne, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UCFA0144⟩. ⟨tel-05096568⟩
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