Modélisation multi-échelles des propriétés thermo-radiatives d’une céramique de CeO2 à haute température

L’oxyde de cérium ou cérine (CeO2) est un matériau parmi les plus prometteurs pour la production d’hydrogène vert par thermochimie solaire. Ce procédé de conversion décarbonné est basé sur l’exploitation d’un cycle thermochimique en deux étapes. Le cycle repose sur une première étape de réduction de CeO2 mené à haute température (1500∘^{\circ}C) sous faible pression partielle d’oxygène, puis sur une seconde étape d’oxydation du matériau réalisée à plus basse température (900∘^{\circ}C). Les travaux antérieurs ont montré que les propriétés thermochimiques de CeO2 garantissent des cycles efficients cinétiquement et thermodynamiquement. Cependant, à ce jour, les propriétés thermo-radiatives de cet oxyde sont principalement connus à température ambiante et les régimes de transport des charges électriques induites par l’étape de réduction ont peu été évalués aux hautes températures (900-1500∘^{\circ}C). Or la présence de charges électroniques peut générer des mécanismes d’absorption des rayonnements infrarouge et visible suffisants pour garantir à un échantillon d’épaisseur usuelle (de 100 μm à 1 mm d’épaisseur) un comportement radiatif opaque dans ces domaines spectraux. Les approches visant à designer numériquement des architectures 3D poreuses de CeO2 à comportement thermique optimisé via des codes de Monte Carlo par Lancer de Rayon tiennent compte de cette hypothèse d’opacité. Or, les épaisseurs optiques sont obtenues via des grandeurs radiatives mesurées à température ambiante et qui plus est sur des céramiques épaisses (4 mm). Pour asseoir les approches de design, il est important de définir les propriétés radiatives de la cérine sur des échantillons dont la taille de grains et les épaisseurs identiques à celles des ligaments. Pour se faire, ce travail présente une modélisation multi-échelle du comportement radiatif d’une céramique de cérine de 2 mm d’épaisseur frittée à 1650∘^{\circ}C. Cette céramique peut être décrite comme l’association compacte de grains homogènes sur le plan radiatif ayant une taille moyenne de 10 μm. A l’échelle des grains les mécanismes d’absorption du rayonnement sont impactés par le transport des charges électriques. Au niveau de la céramique, les grains sont susceptibles d’absorber et de diffuser collectivement le rayonnement. Dans un premier temps, les coefficients d’absorption et de diffusion effectifs de la céramique massive sont estimés à T= 20∘^{\circ}C à partir d’un modèle à deux flux modifié, alimenté par des mesures de réflectance et de transmittance spectrales normales hémisphériques réalisées par spectroscopie infrarouge de 600 à 20 000  cm. Le coefficient de diffusion effectif est fonction de la distribution de taille des grains et peut être vue comme une métrique inverse de la microstructure de la céramique. Puis dans un second temps, une modélisation de l’indice d’absorption intrinsèque de 900∘^{\circ}C à 1500∘^{\circ}C est réalisée par le modèle de fonction diélectrique complexe de Drude-Lorentz. Les paramètres de ce modèle sont déduits de mesures de conductivités électriques réalisées en température (Tmax = 1500∘^{\circ}C, PO2,min = 10-5 atm) sur la même céramique de CeO2. Les coefficients d’absorption effectifs en température sont alors calculés à partir des indices d’absorption précédents. Dans un troisième temps, à partir de la connaissance du coefficient de diffusion effectif supposé invariant de jusqu’à 1500∘^{\circ}C et des coefficients d’absorption effectifs (900-1500∘^{\circ}C) obtenus via l’approche de Drude-Lorentz, le modèle à 2 flux modifié est de nouveau utilisé pour prédire le comportement radiatif des ligaments d’une architecture 3D de CeO2 sur la plage 900-1500∘^{\circ}C.