Les travaux exposés dans ce manuscrit portent sur l’étude de l’activité intrinsèque et de la localisation des sites actifs des catalyseurs à base de cobalt et de fer par une combinaison des méthodes cinétiques transitoires telles que le SSITKA, de la caractérisation physico-chimique étendue et des tests catalytiques. La promotion des catalyseurs à base de fer avec des métaux utilisés pour la soudure (Bi et Pb) conduit à une augmentation remarquable de la vitesse de production des oléfines légères avec la possibilité d’effectuer la synthèse Fischer-Tropsch dans des conditions très douces (basse pression) voire pression atmosphérique. Parmi tous les catalyseurs étudiés, les catalyseurs à base de zéolite de type mordenite ont présenté la valeur la plus élevée de la constante de vitesse SSITKA. La localisation des sites actifs de cobalt dans les catalyseurs bifonctionnels à base de zéolite a un impact majeur sur la vitesse de réaction et en particulier sur la sélectivité en hydrocarbures. La proximité entre les sites actifs de cobalt et les sites actifs de Bronsted a été considérée comme un paramètre clef pour obtenir une sélectivité et un rendement plus élevés en hydrocarbures ramifiés. Le SSITKA couplé à des techniques de caractérisation a révélé que le dépôt de carbone et l'agglomération des nanoparticules de cobalt étaient responsables de la désactivation du catalyseur cobalt supporté par la silice. La régénération des catalyseurs sous hydrogène diminue le nombre d'espèces de carbone déposées et libère partiellement les sites les plus actifs d’adsorption dissociative et les sites les plus forts d'adsorption réversible du monoxyde de carbone. / The work exposed in this manuscript concerns the study of the intrinsic activity and localization of active sites in cobalt and iron based catalysts using a combination of transient kinetic methods such as SSITKA, extended physicochemical characterization and catalytic tests under quasi steady state conditions. Promotion of iron catalysts with metals used for soldering (Bi and Pb) results a remarkable increase in the light olefin production rate with the possibility to conduct Fischer-Tropsch synthesis at very mild reaction conditions (low pressure) and even at atmospheric pressure. Transient kinetic experiments showed facilitation of CO dissociation in the presence of promoters by scavenging O atoms from iron carbide. Cobalt catalyst supported by mordenite zeolite presented higher value of SSITKA rate constant. Localization of cobalt active sites in bifunctional cobalt-zeolite catalysts has a major impact on the reaction rate and in particular on the hydrocarbon selectivity. A proximity between the cobalt active site and Bronsted active sites was found to be a key parameter to obtain higher selectivity and yield of isomerized hydrocarbons. SSITKA combined with catalyst characterization revealed that carbon deposition and cobalt nanoparticle agglomeration were responsible for the deactivation of silica supported cobalt catalysts. Catalyst rejuvenation in hydrogen lessened the amounts of deposited carbon species and partially released the most active sites of carbon monoxide dissociative adsorption and stronger sites of carbon monoxide reversible adsorption.

La synthèse Fischer-Tropsch (FT) permet de convertir un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone (gaz de synthèse) en hydrocarbures avec une distribution large de longueur de chaine. Le gaz de synthèse peut être produit à partir de différentes ressources comme le gaz naturel, le charbon et la biomasse. Afin de diversifier les sources d’énergie, la synthèse FT peut apporter une contribution pour la production de carburants liquides. Néanmoins, la formation de méthane pendant la réaction affecte la faisabilité économique du procédé. Cette étude a pour but de comprendre le mécanisme de formation du méthane sur des catalyseurs de FT. Pour atteindre cet objectif, une étude cinétique en régime transitoire couplée à la technique « SSITKA » a été mise en œuvre sur différents catalyseurs nickel et cobalt. Les données expérimentales sont ensuite utilisées pour alimenter un modèle microcinétique. En utilisant cette méthodologie, nous avons montré que deux intermédiaires distincts de surface conduisaient à la production de méthane. Le modèle microcinétique consiste en deux voies de production de méthane, l'une par dissociation directe de CO, l'autre par décomposition de CO assistée par hydrogène. Nous proposons que les proportions relatives de ces deux intermédiaires dépendent de la structure des particules métalliques, notamment la distribution des sites en sur les terrasses et les coins / The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) converts a mixture of hydrogen and carbon monoxide (syngas) selectively into hydrocarbons with a large chain length distribution. Syngas can be produce from different resources such as natural gas, coal and biomass. In the light of energy resource diversification, FTS can make a contribution to the production of liquid fuels. However, methane formation as byproduct has a large impact on the process economic feasibility. This study aims at the understanding of the methane formation over syngas conversion catalysts, such as nickel and cobalt. To this purpose, Steady-State Isotopic Transient Kinetic Analysis (SSITKA) and step-transient experiments over different nickel and cobalt samples have been carried out and the data have been used to develop a microkinetic model describing methane formation. By using these methodologies, it was found that the CO conversion to methane proceeds through two different surface intermediate species. The microkinetic model is developed on the hypothesis of two reacting paths leading to methane: the unassisted CO dissociation and the H-assisted CO decomposition. It is proposed that these two reacting intermediates are related to the structure of the catalyst particle, specifically to the distribution of the catalyst surface sites on terraces and steps

La synthèse Fischer-Tropsch (FT) permet de convertir un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone (gaz de synthèse) sélectivement en hydrocarbures avec une distribution large de longueur de chaine. Le gaz de synthèse peut être produit à partir de différentes ressources comme le gaz naturel, le charbon et la biomasse. A la lumière de la volonté de diversifier les sources d'énergies, la synthèse FT peut apporter une contribution cruciale pour la production de carburants liquides. Les catalyseurs à base de Cobalt supportés sur alumine sont utilisés pour produire des cires lourdes. L'activité et la sélectivité dépendent des propriétés structurales et texturales du catalyseur. Cette étude a pour but d'établir un lien entre les propriétés structurales des catalyseurs à base de Cobalt supportés sur alumine et des paramètres cinétiques spécifiques. Pour atteindre cet objectif, il a été mis en oeuvre une étude cinétique en régime permanent couplé à la technique « SSITKA » sur différents échantillons de Cobalt. En utilisant cette méthodologie, il a été trouvé que la conversion en CO sur 5 catalyseurs à base de Cobalt dépend uniquement du nombre de site initial sur la surface atomique de Cobalt réduit. Aucune influence de la taille de particule, de l'orientation de la phase cristalline ou du promoteur n'a pu être mis en évid ence. Les expériences SSTIKA réalisées sur une longue durée ont permis d'estimer le nombre de sites actifs dans les conditions de travail. Enfin, la modélisation cinétique a démontré que l'espèce la plus abondante sur la surface est le monoxyde de carbone adsorbé et que deux intermédiaires distincts de surface conduisent à la production de méthane et des hydrocarbures plus lourds / The Fischer-Tropsch synthesis (FTS) converts a mixture of hydrogen and carbon monoxide (syngas) selectively into hydrocarbons with a large chain length distribution. Syngas can be produce from different resources such as natural gas, coal and biomass. In the light of energy resource diversi fication, FTS can make a crucial contribution to the production of liquid fuels. Alumina supported cobalt catalysts are used to produce heavy waxes. The activity and selectivity depend on the structural and textural properties of the catalyst. This study aims at establishing a link between the structural properties of alumina supported cobalt catalysts and specific kinetic parameters. To this purpose, the steady-state and SSITKA kinetics over different cobalt samples have been carried out. By using this met hodology, it was found that the CO conversion over 5 cobalt catalysts only depends on the initial number of reduced cobalt surface atoms. No influence of the cobalt particle size, phase orientation or promotor could be identified. SSITKA experiments during long-term catalyst testing allowed estimating the number of active sites under working conditions. Further modelling showed that the most abundant surface species is adsorbed carbon monoxide and that two distinct surface intermediates lead to the production of methane and higher hydrocarbons