Une nouvelle voie de synthèse de carburants à partir de biomasse a été récemment proposée : la transformation directe du sorbitol (sucre hydrogéné d'origine lignocellulosique) en alcanes légers (six atomes de carbone au maximum) en phase aqueuse par catalyse hétérogène bifonctionnelle métal/acide, suivant la réaction : C6O6H14 + 6 H2 → C6H14 + 6 H2O (déshydratation/hydrogénation du sorbitol en hexane). L'enjeu de la thèse est d'identifier des systèmes catalytiques bifonctionnels stables, actifs et sélectifs pour les hydrocarbures à 5 ou 6 atomes de carbone, valorisables dans le pool essence.Les premiers systèmes étudiés sont des catalyseurs à base de platine et de ruthénium supportés sur silice-alumine. Ces catalyseurs ne sont pas stables en milieu hydrothermal et catalysent des réactions indésirables de rupture C-C : la décarbonylation dans le cas du platine (conduisant au CO2) et l'hydrogénolyse ou la méthanation dans le cas du ruthénium. C'est pourquoi de nouveaux systèmes catalytiques ont été préparés par des mélanges mécaniques de catalyseurs métalliques (Pt, Pd, Ir) déposés sur zircone et d'oxydes tungstés (ZrO2-WOx, Al2O3-WOx, TiO2-WOx). Ces systèmes catalytiques présentent une stabilité en phase aqueuse meilleure que pour les catalyseurs à base de silice-alumine. Les sélectivités varient en fonction de la nature de l'oxyde et de la nature du métal utilisés. En particulier, Un nouveau système catalytique, Pt/ZrO2 + TiO2-WOx, (brevet 12/01.546) s'est révélé actif et très sélectif pour les composés en C6. Enfin, les mécanismes réactionnels mis en jeu pour la réaction de transformation du sorbitol ont été discutés en s'appuyant sur des tests de réactivité modèle. / A new way of biofuels synthesis was recently proposed: the direct transformation of sorbitol (ex-lignocellulose hydrogenated sugar) into light hydrocarbons (maximum six carbon atoms) in aqueous phase by metal/acid bifunctional heterogeneous catalysis, following the reaction : C6O6H14 + 6 H2 → C6H14 + 6 H2O (dehydration/hydrogenation of sorbitol into hexane). The aim of the PhD work is to identify stable and active bifunctional catalytic systems with selectivity to 5-6 carbon atoms hydrocarbons, which can be further upgraded into gasoline. The first studied systems are platinum and ruthenium catalysts supported on silica-alumina. These catalysts are not stable in hydrothermal medium and catalyse undesired C-C cleavage reactions such as decarbonylation for platinum (leading to CO2) and hydrogenolysis or methanation for ruthenium. That is why new catalytic systems have been prepared by mechanical mixing of metallic catalysts (Pt, Pd, Ir) supported on zirconia and tungstated oxides (ZrO2-WOx, Al2O3-WOx, TiO2-WOx). These catalytic systems present an improved hydrothermal stability compared to the silica-alumina based catalysts. Various selectivities are obtained depending on the oxide and metal natures. Particularly, A new catalytic system, Pt/ZrO2 + TiO2-WOx, (patent 12/01.546), was found to be active and very selective to C6 compounds. Finally, the reaction mechanisms involved in the sorbitol transformation reaction have been discussed, referring to model reactivity tests.

Un des principaux défis lors de l'élaboration des catalyseurs adéquats pour le procédé de déparaffinage catalytique (hydroisomérisation) est de maximiser le rendement en isomères et l'activité du catalyseur, tout en maintenant une faible sélectivité en produits de craquage. En effet, des catalyseurs avec sélectivité de forme à base de zéolithes à taille de pore intermédiaire, par exemple Pt/ZSM-22, sont sélectives en isomères, tandis que les zéolithes à large pore sont plus actifs, mais moins sélectif. L'objectif principal de cette thèse était, alors, d’étudier et de développer un catalyseur à la fois actif et sélectif en isomères. Deux études parallèles ont été realisées: la première basée sur l'impact de la proximité entre les sites actifs sur la réaction (Part I), et la seconde, portant sur le développement d'un catalyseur d'hydroisomérisation de haute performance en utilisant des nanocristaux de zéolithe BEA comme support acide (Part II). La participation de l’épandage d’hydrogène (Hsp) sur le mécanisme de la réaction d'hydroisomérisation a été démontrée. En effet, lorsque les sites actifs sont proches, les espèces Hsp diffusent au voisinage des sites acides provocant l'hydrogénation directe des ions carbénium. Un mécanisme de réaction a, alors, été proposé utilisant ce phénomène comme une alternative au mécanisme classique proposé par Weisz, où la réaction d'hydrogénation a lieu uniquement sur les sites métalliques. Ce phénomène justifie l'activité et la sélectivité plus élevées observées sur les catalyseurs, où les sites actifs sont proches. Sur la deuxième partie de ce manuscrit, des nanocristaux de zéolithe BEA ont été utilisés pour développer un catalyseur d’hy / One of the main challenges when developing adequate catalysts for the catalytic dewaxing process (hydroisomerization) is to maximize the isomerization products yield and the catalyst activity, while maintaining a low selectivity towards light cracking products. Indeed, shape selective catalysts based on medium pore zeolites, e.g. Pt/ZSM-22, were proven to produce high yields of isomerization products, whereas larger pore zeolites were more active but less selective. The main objective of this thesis was, then, to study and develop a catalyst with both high activity and selectivity towards the production of isomerization products. For that two parallel studies were made: the first based on the impact of the proximity between the active sites on the reaction (Part I); and the second, focused on the development of a high performance hydroisomerization catalyst using BEA zeolite nanocrystals as an acid support (Part II). The participation of the spilt-over hydrogen (Hsp) species on the hydroisomerization reaction mechanism played a major role on the study performed on the first part of this manuscript. Indeed, when the active sites were near enough the Hsp species were able to diffuse into the vicinity of the acid sites promoting the direct hydrogenation of the carbenium ions. Due to this fact, a reaction mechanism was proposed using this reaction as an alternative to the classical mechanism proposed by Weisz, where the hydrogenation reaction takes place on the metallic sites. This phenomenon justified the higher activity and selectivity observed on the catalysts where the active sites were sideby side. On the second part of this manuscript nanocrystals of BEA zeolite were

La biomasse végétale (source de carbone renouvelable) peut être utilisée pour fabriquer des carburants liquides et produits de base pour la chimie. Ainsi depuis environ une dizaine d'années, se développe le procédé APHDO (Aqueous Phase HydroDeOxygenation) de transformation directe en phase aqueuse de polyols d'origine lignocellulosique (comme le sorbitol) en alcanes valorisables (C5-C6). Ce procédé repose sur une catalyse hétérogène bifonctionnelle métal/acide et fait intervenir des ruptures compétitives de liaisons C-C et C-O. L'objectif de la thèse est de mettre au point des systèmes bimétalliques supportés actifs et sélectifs pour la transformation du sorbitol en hexane. La modification d'un catalyseur de référence Pt/SiO2-Al2O3 par ajout de Re, Ir, Pd, Rh et Ru est effectuée par trois techniques de synthèse : co-imprégnation, imprégnations successives et dépôt par réduction catalytique. Les performances des catalyseurs bimétalliques sont comparées à isoconversion de sorbitol à celles des catalyseurs monométalliques parents pour un test catalytique réalisé en autoclave, avec une solution aqueuse à 10% massique de sorbitol, à 240°C et 60 bar de pression totale sous H2. Les produits se répartissent en phase gaz (CO2, alcanes en C1-C6) et liquide (composés oxygénés). Le sorbitane et l'isosorbide sont majoritairement formés en phase liquide, le dernier étant un intermédiaire clé de la transformation du sorbitol dans cette étude. Les catalyseurs Pt-Ru/SiO2-Al2O3 s'avèrent les plus sélectifs pour la réaction, celui préparé par imprégnations successives conduisant à une plus forte proportion de C6 en phase gaz comparé aux deux monométalliques Pt/SiO2-Al2O3 et Ru/SiO2-Al2O3. / Plant Biomass (renewable source of carbon) can be used to make liquid fuels and basic products of chemistry. So, from about ten years, the APHDO (Aqueous Phase HydroDeOxygenation) process is developed for the direct transformation in aqueous phase of polyols from Biomass (such as sorbitol) into renewable alkanes (C5-C6). This process involves a metal/acid bifunctional heterogeneous catalysis and competitive C-O and C-C bond cleavages. The aim of the PhD work is to develop supported bimetallic systems active and selective for the transformation of sorbitol into hexane. The modification of a reference Pt/SiO2-Al2O3 catalyst by addition of Re, Ir, Pd, Rh and Ru is carried out by three synthesis methods: co-impregnation, successive impregnations and deposit by catalytic reduction. The performances of bimetallic catalysts are compared at sorbitol isoconversion to those of the parent monometallic catalysts for a catalytic test carried out in an autoclave with an aqueous solution of sorbitol (10 wt%) at 240°C and 60 bar total pressure under dihydrogen. The products are distributed in the gas phase (CO2, C1-C6 alkanes) and in the liquid phase (oxygenated compounds). Sorbitan and isosorbide are predominantly formed in the liquid phase, the latter being a key intermediate of sorbitol transformation in this study. Pt-Ru/SiO2-Al2O3 catalysts are the most selective for the reaction, the one prepared by successive impregnations leads to a higher proportion of C6 in gaseous phase compared to both monometallic Pt/SiO2-Al2O3 and Ru/SiO2-Al2O3 catalysts.

Le paraxylène (pX), utilisé dans la fabrication de l'acide téréphtalique pour la production de nylon, est principalement produit par isomérisation de la coupe aromatique C8. Cette dernière est principalement composée des trois isomères du xylènes (para, ortho et méta) et de l'éthylbenzène (EB). L’EB est transformé en xylènes grâce à un catalyseur bifonctionnel comprenant à la fois une fonction acide comme la zéolithe EU-1 et une fonction hydro-déshydrogénante (HD/DHD) comme le platine. L’hydrogénation de l’EB conduit également à la production d’éthylcyclohexane, qui peut subir des réactions non désirées d’ouverture de cycle et de craquage sur la fonction acide du catalyseur. Au cours de ce travail, nous avons cherché à comprendre les facteurs influant sur la sélectivité du catalyseur bifonctionnel en hydroconversion de l’éthylcyclohexane (ECH), et à identifier des phases acides zéolithiques très sélectives. L’effet de paramètres tels que le ratio et la proximité entre sites acides et sites HD/DHD, la localisation des sites acides au sein du réseau zéolithique, et la topologie de ce réseau zéolithique, a été examiné. Des études catalytiques ont été mises en œuvre sur des séries de catalyseurs bifonctionnels à base de zéolithe EU-1, et interprétées à la lueur de calculs ab initio focalisés sur les mécanismes d’isomérisation et d’ouverture de cycle de l’ECH sur la phase acide EU-1. L’intégration de données thermocinétiques déterminées ab initio dans un modèle cinétique en champ moyen a permis de valider l’approche et d’identifier les étapes réactionnelles clés dictant la sélectivité. Un criblage rationnel de structures zéolithes a ensuite été proposé pour identifier les paramètres topologiques influant / The paraxylene (pX), used in the manufacture of terephtalic acid for the production of nylon, is mainly produced by isomerization of the C8 aromatic cut. The latter is mainly composed of the three xylene isomers (para, ortho and meta) and ethylbenzene (EB). EB is converted into xylenes by mean of a bifunctional catalyst comprising both an acid function, such as EU-1 zeolite, and a hydro-dehydrogenating function (HD / DHD), such as platinum. The hydrogenation of EB also leads to the production of ethylcyclohexane, which can undergo undesired ring-opening and cracking reactions on the acid function of the catalyst. In this work, we tried to understand the factors influencing the selectivity of the bifunctional catalyst in the hydroconversion of ethylcyclohexane (ECH), and to identify very selective zeolitic acid phases. The effect of parameters such as the ratio and proximity between acid and HD / DHD sites, the location of acid sites within the zeolite network, and the topology of this zeolite network, was evaluated. Catalytic studies have been carried out over bifunctional catalysts series based on the EU-1 zeolite, and interpreted considering ab initio calculations focused on the isomerization and ring-opening mechanisms of ECH on the EU-1 acid phase. The integration of thermokinetic data (determined by ab initio calculations) in a mean field kinetic model made it possible to validate the approach and to identify the key reaction steps dictating the selectivity. A rational screening of zeolite structures was then proposed to identify the influential topological parameters