L'épuisement des réserves de combustibles fossiles et l'augmentation de la demande énergétique ainsi que les problèmes économiques, politiques et environnementaux liés aux combustibles fossiles ont rendu impératif le développement de processus de production de carburants et de produits chimiques renouvelables. La source de carbone durable la plus abondante et la moins chère qui puisse être utilisée comme matière première pour la production de carburants renouvelables et de matières premières chimiques est la biomasse lignocellulosique. Le liquide produit à partir de la pyrolyse de la biomasse est appelé huile de pyrolyse ou bio-huile. Ce liquide contient un mélange complexe de composés résultant de la dégradation d'unités de construction de la biomasse, cellulose, hémicellulose et la lignine. Il a un faible pouvoir calorifique et une teneur élevée en oxygène. Il est acide et contient des particules de charbon solide. Il est donc incompatible avec les carburants actuels à base de pétrole, est thermiquement instable et se dégrade avec le temps. Par conséquent, la valorisation de la bio-huile est inévitable afin de résoudre les problèmes associés aux huiles de pyrolyse et de les utiliser comme carburants et produits chimiques renouvelables. La désoxygénation catalytique est l'une des méthodes prometteuses qui ont été largement étudiées afin d'éliminer l'oxygène atomique et de valoriser ces huiles. Cependant, il y a encore plusieurs problèmes tels qu'une faible sélectivité en aromatiques et oléfines et la formation de coke. Ainsi, le développement de nouveaux catalyseurs et procédés est indispensable pour surmonter les préoccupations mentionnées. Dans la première partie de cette thèse, la synthèse et la caractérisation d'une série d'échantillons de ZSM-5 mésoporeux sont discutées. Le copolymère tribloc Pluronic P123 (EO20PO70EO20) a été utilisé comme matrice de phase méso et la synthèse a été suivie par une méthode d'ajustement du pH permettant d'obtenir un matériau ZSM-5 bien cristallisé avec des méso-canaux de taille 8-10 nm. Les matériaux résultants ont été caractérisés par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission (TEM), adsorption / désorption d'azote, microscopie électronique à balayage (MEB), résonance magnétique nucléaire à l'état solide (MAS-RMN) et désorption en température programmée de l'ammoniac (TPD). La difficulté de la méthode développée est d'effectuer la croissance de cristaux de zéolithe avec un réseau de pores mésostructuré d'une manière coopérative, en évitant à la fois une séparation de phase entre les unités de surfactant et de zéolithe pendant la cristallisation et la formation d'un matériau mésoporeux amorphe séparé. Dans la deuxième partie, l'effet de la mésoporosité sur la désoxygénation du furane en termes de production d'aromatiques et de désactivation du catalyseur par une étude comparative entre des échantillons de ZSM-5 mésoporeux et microporeux, est étudié. Les catalyseurs mésoporeux ont été préparés selon le procédé décrit dans la première partie avec des rapports Si / Al de 30 et 60. De plus, deux taux différents de WHSV de 5,5 et 11 h⁻¹ ont été utilisés dans les essais. On a trouvé que le taux de conversion du furane initial était plus élevé pour les catalyseurs microporeux, qui se désactivaient cependant rapidement, sur 2 heures de fonctionnement. D'autre part, les catalyseurs mésoporeux ont montré une activité plus régulière avec une légère vitesse de désactivation. La sélectivité globale en aromatiques par rapport aux catalyseurs mésoporeux était plus élevée que par rapport à celle des catalyseurs microporeux. Au chapitre 4, l'effet de l'incorporation de sites actifs métalliques (Zn) sur les taux de conversion du furane, la production d'aromatiques et la formation de coke est discuté. Deux séries de catalyseurs microporeux et mésoporeux avec Si / Al = 30 ont été préparées à différentes charges métalliques de 2 et 5% en poids. Les résultats de la caractérisation par diffraction des rayons X (XRD) n'ont révélé aucun pic supplémentaire par rapport au spectre de la zéolithe, indiquant la bonne dispersion du zinc. Le taux initial de conversion de furane était plus élevé pour les catalyseurs microporeux; il augmentait avec une augmentation de la charge de métal, mais les échantillons mésoporeux se sont rapidement désactivés après 2 heures de fonctionnement. De plus, la sélectivité en aromatiques avec le benzène comme produit principal a été augmentée et la formation de coke a été réduite pour les échantillons mésostructurés. / Depleting fossil fuel reserves and increase of energy demands along with economical, political, and environmental issues related to the fossil fuels have made it imperative to develop processes to produce renewable fuels and chemicals. The most plentiful and cheap sustainable source of carbon that can be used as a feedstock for the production of renewable fuels and commodity chemical feedstocks is lignocellulosic biomass. The liquid produced from the pyrolysis of biomass is designated as pyrolysis oil or bio-oil. This liquid contains a complex mixture of compounds resulting from the degradation of biomass building units, cellulose, hemicellulose, and lignin. It has a low heating value and high oxygen content, is acidic, contains solid char particles, is incompatible with current petroleum-based fuels, is thermally unstable, and degrades with time. Therefore, upgrading of bio-oil is inevitable in order to resolve the issues associated with pyrolysis oils and to use them as renewable fuels and chemicals. Catalytic deoxygenation is one the promising methods which have been extensively studied in order to remove atomic oxygen and valorizing these oils. However, there are still several issues such as low selectivity into aromatics and olefins and coke formation. Thus, developing new catalysts and processes is a must to overcome the mentioned concerns. In the first part of this thesis, the synthesis and characterization of a series of mesoporous ZSM-5 samples are discussed. Pluronic P123 triblock copolymer (EO20PO70EO20) was used as the meso-phase template and synthesis was followed by a pH adjusting method allowing obtaining a well-crystallized ZSM-5 material with meso-channels of size of 8-10 nm. The resulting materials were characterized using X-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM), nitrogen adsorption/desorption, scanning electron microscopy (SEM), solid-state nuclear magnetic resonance (MAS-NMR) and ammonia temperature programmed desorption (TPD) analyses. The significance of the developed method is to perform the growth of zeolite crystals with a mesostructured pore lattice in a cooperative manner, avoiding both a phase separation between the surfactant and zeolite units during crystallization and the formation of a separate amorphous mesoporous material. In the second part, the effect of mesoporosity on deoxygenation of furan in terms of aromatic production and catalyst deactivation through a comparative study between mesoporous and microporous ZSM-5 samples, is studied. The mesoporous catalysts were prepared according to the method described in part one with Si/Al ratios of 30 and 60. Moreover, two different WHSV rates of 5.5 and 11 h⁻¹ were employed in the reaction tests. It was found that the initial furan conversion was higher over the microporous catalysts, which however deactivated rapidly, over 2 hours of time on-stream. On the other hand, the mesoporous catalysts showed a steadier activity with a slight deactivation rate. The overall selectivity to aromatics over the mesoporous catalysts was higher than over the microporous ones. In chapter 4, the effect of the incorporation of zinc metallic active sites on the conversion, aromatic production and coke formation rates is discussed. Two series of microporous and mesoporous catalyst with Si/Al=30 were prepared at different metal loadings of 2 and 5 wt.%. The results of X-ray diffraction (XRD) patterns revealed no extra peaks compared to those of the Zn free materials, indicating the good dispersion of zinc. The initial furan conversion rate was higher over the microporous catalysts, and increased by increasing the metal loading, however the microporous samples, deactivated rapidly after 2 hours of time on-stream. In addition, the aromatic selectivity with benzene as the major product was increased and coke formation was reduced over the mesostructured zeolites.

L'épuisement des réserves de combustibles fossiles et l'augmentation de la demande énergétique ainsi que les problèmes économiques, politiques et environnementaux liés aux combustibles fossiles ont rendu impératif le développement de processus de production de carburants et de produits chimiques renouvelables. La source de carbone durable la plus abondante et la moins chère qui puisse être utilisée comme matière première pour la production de carburants renouvelables et de matières premières chimiques est la biomasse lignocellulosique. Le liquide produit à partir de la pyrolyse de la biomasse est appelé huile de pyrolyse ou bio-huile. Ce liquide contient un mélange complexe de composés résultant de la dégradation d'unités de construction de la biomasse, cellulose, hémicellulose et la lignine. Il a un faible pouvoir calorifique et une teneur élevée en oxygène. Il est acide et contient des particules de charbon solide. Il est donc incompatible avec les carburants actuels à base de pétrole, est thermiquement instable et se dégrade avec le temps. Par conséquent, la valorisation de la bio-huile est inévitable afin de résoudre les problèmes associés aux huiles de pyrolyse et de les utiliser comme carburants et produits chimiques renouvelables. La désoxygénation catalytique est l'une des méthodes prometteuses qui ont été largement étudiées afin d'éliminer l'oxygène atomique et de valoriser ces huiles. Cependant, il y a encore plusieurs problèmes tels qu'une faible sélectivité en aromatiques et oléfines et la formation de coke. Ainsi, le développement de nouveaux catalyseurs et procédés est indispensable pour surmonter les préoccupations mentionnées. Dans la première partie de cette thèse, la synthèse et la caractérisation d'une série d'échantillons de ZSM-5 mésoporeux sont discutées. Le copolymère tribloc Pluronic P123 (EO20PO70EO20) a été utilisé comme matrice de phase méso et la synthèse a été suivie par une méthode d'ajustement du pH permettant d'obtenir un matériau ZSM-5 bien cristallisé avec des méso-canaux de taille 8-10 nm. Les matériaux résultants ont été caractérisés par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission (TEM), adsorption / désorption d'azote, microscopie électronique à balayage (MEB), résonance magnétique nucléaire à l'état solide (MAS-RMN) et désorption en température programmée de l'ammoniac (TPD). La difficulté de la méthode développée est d'effectuer la croissance de cristaux de zéolithe avec un réseau de pores mésostructuré d'une manière coopérative, en évitant à la fois une séparation de phase entre les unités de surfactant et de zéolithe pendant la cristallisation et la formation d'un matériau mésoporeux amorphe séparé. Dans la deuxième partie, l'effet de la mésoporosité sur la désoxygénation du furane en termes de production d'aromatiques et de désactivation du catalyseur par une étude comparative entre des échantillons de ZSM-5 mésoporeux et microporeux, est étudié. Les catalyseurs mésoporeux ont été préparés selon le procédé décrit dans la première partie avec des rapports Si / Al de 30 et 60. De plus, deux taux différents de WHSV de 5,5 et 11 h⁻¹ ont été utilisés dans les essais. On a trouvé que le taux de conversion du furane initial était plus élevé pour les catalyseurs microporeux, qui se désactivaient cependant rapidement, sur 2 heures de fonctionnement. D'autre part, les catalyseurs mésoporeux ont montré une activité plus régulière avec une légère vitesse de désactivation. La sélectivité globale en aromatiques par rapport aux catalyseurs mésoporeux était plus élevée que par rapport à celle des catalyseurs microporeux. Au chapitre 4, l'effet de l'incorporation de sites actifs métalliques (Zn) sur les taux de conversion du furane, la production d'aromatiques et la formation de coke est discuté. Deux séries de catalyseurs microporeux et mésoporeux avec Si / Al = 30 ont été préparées à différentes charges métalliques de 2 et 5% en poids. Les résultats de la caractérisation par diffraction des rayons X (XRD) n'ont révélé aucun pic supplémentaire par rapport au spectre de la zéolithe, indiquant la bonne dispersion du zinc. Le taux initial de conversion de furane était plus élevé pour les catalyseurs microporeux; il augmentait avec une augmentation de la charge de métal, mais les échantillons mésoporeux se sont rapidement désactivés après 2 heures de fonctionnement. De plus, la sélectivité en aromatiques avec le benzène comme produit principal a été augmentée et la formation de coke a été réduite pour les échantillons mésostructurés. / Depleting fossil fuel reserves and increase of energy demands along with economical, political, and environmental issues related to the fossil fuels have made it imperative to develop processes to produce renewable fuels and chemicals. The most plentiful and cheap sustainable source of carbon that can be used as a feedstock for the production of renewable fuels and commodity chemical feedstocks is lignocellulosic biomass. The liquid produced from the pyrolysis of biomass is designated as pyrolysis oil or bio-oil. This liquid contains a complex mixture of compounds resulting from the degradation of biomass building units, cellulose, hemicellulose, and lignin. It has a low heating value and high oxygen content, is acidic, contains solid char particles, is incompatible with current petroleum-based fuels, is thermally unstable, and degrades with time. Therefore, upgrading of bio-oil is inevitable in order to resolve the issues associated with pyrolysis oils and to use them as renewable fuels and chemicals. Catalytic deoxygenation is one the promising methods which have been extensively studied in order to remove atomic oxygen and valorizing these oils. However, there are still several issues such as low selectivity into aromatics and olefins and coke formation. Thus, developing new catalysts and processes is a must to overcome the mentioned concerns. In the first part of this thesis, the synthesis and characterization of a series of mesoporous ZSM-5 samples are discussed. Pluronic P123 triblock copolymer (EO20PO70EO20) was used as the meso-phase template and synthesis was followed by a pH adjusting method allowing obtaining a well-crystallized ZSM-5 material with meso-channels of size of 8-10 nm. The resulting materials were characterized using X-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM), nitrogen adsorption/desorption, scanning electron microscopy (SEM), solid-state nuclear magnetic resonance (MAS-NMR) and ammonia temperature programmed desorption (TPD) analyses. The significance of the developed method is to perform the growth of zeolite crystals with a mesostructured pore lattice in a cooperative manner, avoiding both a phase separation between the surfactant and zeolite units during crystallization and the formation of a separate amorphous mesoporous material. In the second part, the effect of mesoporosity on deoxygenation of furan in terms of aromatic production and catalyst deactivation through a comparative study between mesoporous and microporous ZSM-5 samples, is studied. The mesoporous catalysts were prepared according to the method described in part one with Si/Al ratios of 30 and 60. Moreover, two different WHSV rates of 5.5 and 11 h⁻¹ were employed in the reaction tests. It was found that the initial furan conversion was higher over the microporous catalysts, which however deactivated rapidly, over 2 hours of time on-stream. On the other hand, the mesoporous catalysts showed a steadier activity with a slight deactivation rate. The overall selectivity to aromatics over the mesoporous catalysts was higher than over the microporous ones. In chapter 4, the effect of the incorporation of zinc metallic active sites on the conversion, aromatic production and coke formation rates is discussed. Two series of microporous and mesoporous catalyst with Si/Al=30 were prepared at different metal loadings of 2 and 5 wt.%. The results of X-ray diffraction (XRD) patterns revealed no extra peaks compared to those of the Zn free materials, indicating the good dispersion of zinc. The initial furan conversion rate was higher over the microporous catalysts, and increased by increasing the metal loading, however the microporous samples, deactivated rapidly after 2 hours of time on-stream. In addition, the aromatic selectivity with benzene as the major product was increased and coke formation was reduced over the mesostructured zeolites.

La libération de dioxyde de carbone (CO₂) dans l’atmosphère est de plus en plus alarmante et nécessite que des actions soient posées de toute urgence afin de réduire les impacts. On compte parmi celles-ci la conversion du CO₂ en produits à valeur ajoutées, par exemple en diméthyléther (DME), pouvant être utilisé comme vecteur d’énergie propre. Dans le but de favoriser l’hydrogénation catalytique du CO₂, il a été proposé de faire la séparation in-situ de l’eau coproduite lors de la réaction, ce qui est nécessaire à la production rentable du DME. Malgré les nombreuses recherches faites sur la séparation de l’eau in-situ d’un milieu réactionnel, très peu d’entre elles semblent en mesure d’obtenir de bons résultats pour des températures élevées (≈250 °C), requises pour la conversion catalytique du CO₂. Une solution intéressante semble être la membrane zéolitique permsélective à l’eau d’hydroxy-sodalite (hydroxy-SOD). Selon la littérature, cette zéolite est en mesure de résister aux dures conditions de réaction tout en étant capable de séparer l’eau des autres réactifs avec une excellente sélectivité. Cependant, il semble impossible de reproduire ces résultats lorsqu’elle est synthétisée sous forme de membrane avec les techniques conventionnelles. C’est pourquoi le présent projet de maîtrise porte sur le développement d’une nouvelle technique de synthèse de membranes d’hydroxy-SOD par « pore-plugging ». Elle consiste à insérer mécaniquement des germes d’hydroxy-SOD à un endroit précis du support sélectionné, pour ensuite les faire croitre par synthèse hydrothermale jusqu’à ce que les pores du support se bloquent. Dans le but d’optimiser la technique par « pore-plugging », une série de paramètres ont été examinés et optimisés tant au niveau de la synthèse des germes que celle des membranes. Cela a mené à l’élaboration d’un protocole permettant la production de membrane d’hydroxy-SOD ayant une sélectivité (SH2O/H2) de 1.4 et une perméance H2O de 1.26 x 10⁻⁷ mol Pa⁻¹ m⁻² s⁻¹ à 250 °C. / The release of carbon dioxide gas (CO₂) is becoming increasingly alarming and requires that concrete actions get implemented as fast as possible in order to reduce future impacts. One of the solutions could be the catalytic conversion of CO₂ into value-added products like dimethyl ether (DME), which can be used as a clean energy vector. Unfortunately, the direct catalytic hydrogenation of CO₂ isn’t thermodynamically favoured if done in a conventional reactor, because of the coproduced water. That’s why this master thesis will work on an in-situ method to remove the produced water from the reactor. This upgrade is essential for an economically viable process to synthesize DME from CO₂. Despite extensive research in the field of in-situ removal of water, very few seem to be able to achieve promising results at the high temperatures required for CO₂ conversion (≈250˚C). An interesting solution seems to lie in a water permselective zeolite membrane made of hydroxy-sodalite (hydroxy-SOD). According to the literature, that zeolite would be capable of withstanding the harsh reaction conditions while being able to separate water with excellent selectivity. However, when made into a membrane, their water selectivity doesn’t seem to reproduce well. This is caused by defects in the synthesized membrane that are cause by less than optimal conventional synthesis methods. That is why this master’s project address the problem by the development of a new membrane synthesis technique for hydroxy-SOD by ‘’pore-plugging’’, which attempt to prevent membrane defects. This technique consists in the mechanical insertion of engineered hydroxy-SOD seeds at a precise location of asymmetric ceramic support. These seeds are then grown by subsequent hydrothermal synthesis up to the point that the smaller pores of the support are completely filled. That results in a really thin composite membrane of hydroxy-SOD zeolite having minimal number of defects. In order to optimize the ‘’pore-plugging’’ technique, a series of synthesis parameters have been examined and improved for both the seeds and the membrane production. This led to the development of a protocol allowing the synthesis of a hydroxy-SOD membrane having water selectivity (SH2O/H2) of 1.4 and a permeance H2O of 1.26 x 10⁻⁷ mol Pa⁻¹ m⁻² s⁻¹ at 250 °C.