Thèse doctorat : Structure et dynamique des systèmes réactifs : Lille 1 : 2003 ; 3360. / Thèse : 2003LIL10080. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

Le développement de technologies plus propres et économes en énergie amène aujourd’hui l’industrie du raffinage à modifier ses stratégies de préparation de catalyseurs et à se tourner vers l'utilisation plus massive de catalyseurs hétérogènes plus actifs, sélectifs, stables et régénérables.Récemment une méthode originale a été développée par Dufaud et al. (J. Mater. Chem., 2009, 19, 1142-1150) pour encapsuler des polyoxométallates (POMs) dans les murs des silices mésoporeuses. Le projet de thèse a visé l’élaboration de nouveaux catalyseurs basés sur cette nouvelle méthodologie qui devrait conduire à des systèmes à haute teneur en métal actif Mo/W bien dispersé, avec une meilleure proximité spatiale entre le Mo/W et son promoteur. Afin de mettre en évidence cette proximité, différentes voies ont été envisagées :i) synthèse en deux étapes comportant l'encapsulation des POMs dans les murs de SBA-15, suivie d’une imprégnation à sec des promoteurs (Ni(NO3)2 ou Co(NO3)2)ii) synthèse en une seule étape comportant l'imprégnation à sec de POMs substitués Co3PCoMo11O40H, Ni3PNiMo11O40H, Co3/2PMo12O40 ou Ni3/2PMo12O40 iii) préparation traditionnelle par co-Imprégnation à sec d’une silice SBA-15 par une solution de POMs et Ni(NO3)2 ou Co(NO3)2, afin de mettre en évidence non seulement l'intérêt de la nouvelle méthode de préparation mais aussi le gain lié à l'utilisation de supports de type SBA-15 (par rapport aux supports aluminiques conventionnels) ayant des caractéristiques texturales aussi remarquables. L’effet du traitement de sulfuration sur ces solides a été étudié et l’évaluation des propriétés catalytiques de ces matériaux a été réalisée sur des molécules modèles en hydrogénation du toluène, hydrodésulfuration du thiophène et du 4,6-DMDBT. A partir des résultats obtenus, une des stratégies de synthèse a été optimisée, en vue de l'élaboration de matériaux encore plus actifs. / Economic growth in the developing countries over the past decade has increased the global demand for crude oil. It is projected that the global crude slate will become sourer, with a sulfur content above 1.3 wt%. An overall aim of policymakers is thus to ensure that transportation fuels do not surpass a sulfur content of 10 ppm. Several solutions are possible to achieve the nowadays goals, that affect either the process or the catalyst. The latter solution, which does not involve significant additional costs for refiners, is therefore the most studied. One way to improve the nowadays catalysts would be to increase the content of active metal (eg cobalt and molybdenum in the case of CoMo systems). Nevertheless, at higher metal loadings, the formation of refractory species such as CoMoO4 or Co3O4 by sintering during calcination and/or sulfidation steps has been reported for alumina-Supported catalysts. This PhD project is based on the development of new hydrotreating catalysts, through a 2-Step one-Pot method : synthesis of polyoxometalates-Containing mesoporous SBA-15 materials, followed by incipient wetness impregnation of active phase promoter. The encapsulation of these species within the silica matrix would prevent the agglomeration of large particles during sulfidation reactions and could thus lead to systems with high content of active metal well dispersed over the support. One aim of this study was to evaluate the potential of these catalysts in the hydrotreating of several feedstocks, such as diesel oil, gasoline or vegetal oil. A second objective was the understanding of the nature of the different interactions between the active phase precursors and the support, according to each preparation technique.The non-Promoted hybrid catalyst showed a better dispersion of the metallic phase in the oxide state, compared to the catalysts prepared by incipient wetness impregnation, which can be correlated with stronger interactions between encapsulated POM and silica functionalities, such as siloxanes and silanols, as evidenced by Raman spectroscopy. However, the wide-Angle XRD showed the presence of MoO3 crystallites. HRTEM analyzes of the sulfided catalysts showed different species on this catalyst: small MoS2 slabs and metal particles (∼ 1 nm) mainly in the walls but also on the surface of pores; curved MoS2 slabs at mesopores surface leaving the entrance of the pore free; MoS2 hanks blocking the pores.This catalyst showed a relatively low sulfidation rate (determined by XPS), which could be associated with the presence of refractory species already present before activation. Thus, the toluene conversion represented per MoS2 clearly showed the interest of the catalyst prepared by this innovative method, presenting an intrinsic activity two-Fold higher than that of the catalyst prepared by dry impregnation.The subsequent impregnation of the active phase promoter of the hybrid catalyst (Pr(NO3)2, Pr = Ni or Co; 4 <pH <6), resulted in a very heterogeneous distribution of species, which could be attributed to a POM destruction by the impregnation solution, that afterward led to the sintering of large clusters. However, the hybrid catalysts promoted showed improved catalytic performances when compared to the traditional alumina-Based catalysts, when nickel is used as a promoter. However, the sulfidation and promotion rates of these catalysts must be improved: the catalyst with the highest Ni content showed (i) a high Ni/Mo atomic ratio of 0.4, which would lead to a loss of active sites by excessive decoration, and (ii) the formation of species such as NixOwSy or NixSy, which could lead to the loss of active sites, dispersion and access to the active phase.Perspectives towards an enhanced HDT catalyst based on the findings of this project are:Milder synthesis calcination conditionsSulfidationPost-Synthetic treatment in order to introduce Ni and Mo in proximal vicinityRegeneration of HDT hybrid catalysts

Le travail de thèse effectué a porté sur l'applicabilité et la compréhension d’un système catalytique bifonctionnel acide et hydro/déshydrogénante sur l'hydroconversion et l’hydrotraitement d'un Résidu Sous Vide. En amont de ce travail, il est rappelé qu'au-delà de 400 °C (régime thermique), la forte conversion du RSV conduit à des phénomènes indésirables de précipitation et d’instabilité, liés à l'augmentation de la polarité des asphaltènes. L’objectif de la thèse était donc de favoriser les réactions de craquage et d’hydrogénolyse à plus faible température (370 °C), grâce à la fonction acide du catalyseur, et d’étudier la nature des structures asphalteniques résultantes. Des catalyseurs modèles, de formulation NiMo, supportés sur des aluminosilicates préparés par greffage de silicium à la surface d'une alumine, ont été utilisés. Ces catalyseurs développent une acidité faible, apportée par le support. Cette acidité a été quantifiée et caractérisée sur les aluminosilicates synthétisés, comme sur le catalyseur fini. La phase hydrogénante, ainsi que la texture des solides, ont aussi été caractérisées en détail. Des catalyseurs, dont les trois paramètres précités ont pu être modifiés indépendamment, ont ainsi été obtenus.Les performances catalytiques ont ensuite été évaluées en hydroconversion d’un RSV Safaniya, en réacteur batch. Les résultats révèlent un impact limité de l’acidité sur les grandeurs globales du test. Les modifications successives des phases hydrogénantes, et l’apport de macroporosité, n’ont pas permis d’améliorer cet impact par la suite. L’analyse détaillée conduite sur les asphaltènes après conversion a mis en relief des modifications de structures moléculaires nettes. Celles-ci ont pu être illustrées via une méthode de reconstitution moléculaire. L'introduction d’acidité a ainsi favorisé les réactions de craquage des chaines aliphatiques ou naphténique des asphaltènes, sans pour autant augmenter l'aromaticité de la molécule. / The aim of this work was to study and investigated bifunctional sulfided and acidic catalyst for the hydroconversion and the hydrotraitment of a Vacuum Residue. Upstream works have already demonstrate that high level of residue conversion, at high temperatures ( > 400 °C), leads to create carbonaceous sediments (sediments), link to asphaltenes polarity and aromaticity. Thus, our objective was to promote hydrocracking reactions at lower temperatures (370 °C), by enhancing acidity of conventional sulfided catalysts. Structures of consequent asphaltenes, modified by acidity, were also studied. Model NiMo catalysts were obtained by grafting silica on the surface of alumina carriers. Characterization on carriers and sulfided catalysts reveal the improvement of a weak acidity. Hydrogenating phase and textures properties have also been characterized in this work. In the end, we have obtained catalysts with same texture, same hydrogenating power, but also different level of acidity strength. Catalytic performances were evaluated in batch reactor, for the hydroconversion reaction of a Safaniya Vacuum Residue. Results reveal no changes in hydroconversion or hydrotraitment reactions parameters with acidity. No improvement was observed by enhancing the hydrogenating power or by adding macroporosity on textures with acidic sulfided catalysts. Nonetheless, combinated asphaltenes analysis and molecular reconstructions methods have shown that acidity can modify asphaltènes structures and properties. Acidity enhances cracking reactions of aliphatic chains and naphthenic units, without improving the aromaticity of the molecules.

Thèse de doctorat : Structure et dynamique des systèmes réactifs : Lille 1 : 2000. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr. f. 117-123.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Structure et dynamique des systèmes réactifs : Lille 1 : 2005. Reproduction de : Tesis doctoral : Química : Universidad Central de Venezuela, Facultad de Ciencias : 2005. / Thèse en cotutelle. N° d'ordre (Lille 1) : 3605. Texte en espagnol, introduction en français. Résumé en français, espagnol et anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque chapitre.

L'enjeu de cette thèse réside dans la compréhension et l'amélioration de la sulfuration de catalyseurs à base de W. Elle a pour objectif la rationalisation des différentes étapes de préparation de catalyseurs d'hydrotraitement de type NiWS depuis la préparation jusqu'au test catalytique par une approche moléculaire (appelée "chimie de surface contrôlée" ou CSC), ce qui permet de proposer de nouvelles voies pour lever le verrou majeur, lié à la mauvaise sulfuration du W. Au cœur de cette approche se situe l'utilisation d'une méthode de préparation originale, ayant recours à des composés moléculaires métallo-organiques bien-définis comme précurseurs de la phase sulfurée WS2, combinée à une analyse poussée par spectroscopies multiples (IR, RMN, XPS) et chimie computationnelle.La famille des alcoxydes de tungstène a été sélectionnée ; les précurseurs mono ou di-nucléaires tels que W(OEt)6, [W(=O)(OEt)4]2 ou [W(OEt)5]2 ont été greffés sur silice-alumine partiellement deshydroxylée, et leur conversion en phase sulfure a montré que le type de précurseurs moléculaires influençaient peu les propriétés des catalyseurs non promus (WS2/ASA), en termes de taux de sulfuration (déterminé par XPS) ou d'activité catalytique, en hydrogénation du toluène en présence d'aniline. Le composé [W(OEt)5]2 a ensuite été sélectionné pour approfondir l'étude des catalyseurs préparés par CSC.L'approche visant à améliorer la compréhension des différentes espèces de surface formées a été réalisée par l'étude des matériaux avant et après sulfuration. L'augmentation de la quantité de W déposé sur les matériaux CSC a permis de révéler la formation de (1) une couche d'espèces greffées sur la surface de silice-alumine, puis (2) de couches successives, formées d'espèces plus mobiles. L'étude portant sur la sulfuration de ces matériaux en fonction de leur teneur en W, et de la température de sulfuration, a permis de les comparer aux catalyseurs sulfurés dits "conventionnels". Cette étude approfondie a mis en évidence une amélioration de la sulfuration du W pour les matériaux CSC aux températures habituellement utilisées (350°C). La vitesse intrinsèque d'hydrogénation des catalyseurs CSC, jusqu'à deux fois supérieure à celle des catalyseurs conventionnels, a en partie été expliquée par un meilleur taux de sulfuration, et par la morphologie 2D des feuillets WS2 (STEM-HAADF), de forme triangulaire tronquée, dans le cas d'un catalyseur conventionnel.Finalement, ayant démontré que l'emploi d'espèces moléculaires mono et binucléaires permettait d'améliorer les catalyseurs non promus par rapport à l'approche conventionnelle utilisant des clusters polyanioniques, les catalyseurs promus de type NiW/ASA ont été étudiés. Différents précurseurs ont été utilisés (par exemple Ni(acac)2) ainsi que différentes méthodes de dépôt (dépôt du nickel sur un matériau sulfuré, ou non) et quantités de nickel. Ces travaux ont permis d'estimer l'influence de ces paramètres sur la sulfurabilité du W et du Ni, ainsi que sur l'activité catalytique des catalyseurs, et montrer que l'emploi d'une approche moléculaire dans la préparation des phases NiWS supportées permet d'améliorer la promotion des feuillets sulfures par le nickel, mais aussi d'accéder à des catalyseurs pouvant avoir des vitesses intrinsèques d'hydrogénation quatre fois supérieures celles de catalyseurs conventionnelles de référence. Ces résultats catalytiques sont très probablement liés à une balance optimisée entre "nature" et "quantité" de sites actifs mixtes Ni-W. Cela démontre l'intérêt d'une approche moléculaire pour la préparation de catalyseurs d'hydrotraitement plus performants.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la catalyse hétérogène pour des applications en raffinage et en pétrochimie. Plus particulièrement, nous avons choisi d’étudier le cas des catalyseurs d’hydrotraitement largement utilisés dans les procédés de conversion du pétrole en carburant. Ces catalyseurs sont constitués d’une phase métallique sulfurée supporté sur un support poreux inorganique.Dans ce travail, nous nous sommes particulièrement intéressés à la compréhension et la modélisation de la première étape de préparation d’un catalyseur d’hydrotraitement : l’étape d’imprégnation. Une méthodologie innovante basée sur la technique d’imagerie RMN qui permet d’observer operando le transport des précurseurs métalliques dans le support et sur la technique d’Imagerie Raman a été développée. Les résolutions spatiales et temporelles obtenues ont permis de valider cette méthodologie pour caractériser l’étape d’imprégnation en termes de phénomènes physiques (capillarité et diffusion) et chimiques (interaction de surface) et pour identifier les descripteurs clés de cette étape.En conclusion, ces travaux permettront un meilleur contrôle de l'étape d'imprégnation et donc du profil de distribution de la phase active, ce qui aura une forte répercussion sur la performance catalytique / The objective of this work is to characterize the impregnation step in terms of physical phenomena (capillarity and diffusion) and chemical phenomena (surface interaction) in order to identify the key descriptors of this step in order to improve the preparation hydrotreating catalysts. This involves monitor spatial and temporally the transport of the species in the impregnation solution within the porosity, more particularly in the case of Ni(Co)MoP/?-Al2O3 catalysts preparation.An original MRI approach has been developed to follow in-situ the impregnation step from a solution of mixed nature with more than one metal precursor in the presence of an additive. MRI provides access to the spatial distribution of all species within the catalyst with a spatial resolution of 39 × 39 µm. Raman imaging allows an identification of the chemical nature of the species in solution with a spatial resolution of 16.2 × 16.2 µm.First, the phenomena involved in the impregnation of model solutions composed of Ni (or Co), were studied by modifying the parameters of the solution. These experiments were then used as the basis for the development of a mathematical model to rationalize the impregnation step. In a second part, this study was extended to the preparation of hydrotreatment catalysts. Several phenomena have been evaluated here, notably the impact of the presence of phosphorus on the transport of Mo species, possible competition of adsorption between P, Co and Mo and the effect of the presence of citric acid.This study allows a better control of the impregnation step and thus of the distribution profile of the active phase, which has an impact on the catalytic performance

L'enjeu de cette thèse réside dans la compréhension et l'amélioration de la sulfuration de catalyseurs à base de W. Elle a pour objectif la rationalisation des différentes étapes de préparation de catalyseurs d’hydrotraitement de type NiWS depuis la préparation jusqu'au test catalytique par une approche moléculaire (appelée «chimie de surface contrôlée» ou CSC), ce qui permet de proposer de nouvelles voies pour lever le verrou majeur, lié à la mauvaise sulfuration du W. Au cœur de cette approche se situe l'utilisation d'une méthode de préparation originale, ayant recours à des composés moléculaires métallo-organiques bien-définis comme précurseurs de la phase sulfurée WS2, combinée à une analyse poussée par spectroscopies multiples (IR, RMN, XPS) et chimie computationnelle.La famille des alcoxydes de tungstène a été sélectionnée ; les précurseurs mono ou di-nucléaires tels que W(OEt)6, [W(=O)(OEt)4]2 ou [W(OEt)5]2 ont été greffés sur silice-alumine partiellement deshydroxylée, et leur conversion en phase sulfure a montré que le type de précurseurs moléculaires influençaient peu les propriétés des catalyseurs non promus (WS2/ASA), en termes de taux de sulfuration (déterminé par XPS) ou d’activité catalytique, en hydrogénation du toluène en présence d’aniline. Le composé [W(OEt)5]2 a ensuite été sélectionné pour approfondir l’étude des catalyseurs préparés par CSC.L'approche visant à améliorer la compréhension des différentes espèces de surface formées a été réalisée par l'étude des matériaux avant et après sulfuration. L'augmentation de la quantité de W déposé sur les matériaux CSC a permis de révéler la formation de (1) une couche d’espèces greffées sur la surface de silice-alumine, puis (2) de couches successives, formées d'espèces plus mobiles. L'étude portant sur la sulfuration de ces matériaux en fonction de leur teneur en W, et de la température de sulfuration, a permis de les comparer aux catalyseurs sulfurés dits «conventionnels». Cette étude approfondie a mis en évidence une amélioration de la sulfuration du W pour les matériaux CSC aux températures habituellement utilisées (350°C). La vitesse intrinsèque d’hydrogénation des catalyseurs CSC, jusqu’à deux fois supérieure à celle des catalyseurs conventionnels, a en partie été expliquée par un meilleur taux de sulfuration, et par la morphologie 2D des feuillets WS2 (STEM-HAADF), de forme triangulaire tronquée, dans le cas d’un catalyseur conventionnel.Finalement, ayant démontré que l’emploi d’espèces moléculaires mono et binucléaires permettait d’améliorer les catalyseurs non promus par rapport à l’approche conventionnelle utilisant des clusters polyanioniques, les catalyseurs promus de type NiW/ASA ont été étudiés. Différents précurseurs ont été utilisés (par exemple Ni(acac)2) ainsi que différentes méthodes de dépôt (dépôt du nickel sur un matériau sulfuré, ou non) et quantités de nickel. Ces travaux ont permis d’estimer l’influence de ces paramètres sur la sulfurabilité du W et du Ni, ainsi que sur l’activité catalytique des catalyseurs, et montrer que l’emploi d'une approche moléculaire dans la préparation des phases NiWS supportées permet d’améliorer la promotion des feuillets sulfures par le nickel, mais aussi d'accéder à des catalyseurs pouvant avoir des vitesses intrinsèques d’hydrogénation quatre fois supérieures celles de catalyseurs conventionnelles de référence. Ces résultats catalytiques sont très probablement liés à une balance optimisée entre «nature» et «quantité» de sites actifs mixtes Ni-W. Cela démontre l’intérêt d’une approche moléculaire pour la préparation de catalyseurs d'hydrotraitement plus performants. / The aim of this thesis is to understand and improve the sulphidation of W-based hydrotreating catalysts by understanding and characterising each step of their preparation, from the synthesis to catalytic tests, via a controlled surface chemistry approach (or "CSC", also referred as surface organometallic chemistry, "SOMC", in the literature). This molecular approach opens new avenues for the improvement of W sulphidation, which is one strong limitation for using this metal in hydrotreatment. The core of this study is based on the use of well-defined metallo-organic precursors as precursors of the tungsten sulphide phase, each step of materials preparation being characterised by multiple spectroscopy techniques (IR, NMR, XPS) combined with ab initio molecular modelling.Mono or dinuclear tungsten alkoxides such as [W(OEt)5]2, W(OEt)6 or [W(=O)(OEt)4]2 were grafted on partially dehydroxylated amorphous silica-alumina. Their conversion into sulphide materials reveals that the precursor does not influence significantly the amount of WS2 phase formed (level of sulphidation observed by XPS) as well as catalytic properties in toluene hydrogenation in the presence of aniline. Only [W(OEt)5]2 was used in the following experiments.So as to better understand the genesis of the sulphide phase, CSC materials were characterised before and after sulphidation. Before sulphidation, the use of increasing amounts of W precursor reveals the formation of (1) first, a layer of tungsten surface species grafted on the surface, and (2) second, layers of more mobile species, more loosely bonded to the grafted species. Then, these CSC materials were sulphided into WS2 catalysts (with different W-loading, and different sulphidation temperatures) and were compared to conventionally prepared samples. The results reveal an improvement of tungsten sulphidation for CSC samples already at ambient sulphidation temperature and also at more usual sulphidation temperatures (350°C). Catalytic activities up to 2 times higher than conventional references were also obtained. They are explained in part by the better level of sulphidation of CSC samples and by a different 2D morphology of WS2 crystallites (STEM-HAADF), observed to be hexagonal-like for CSC samples while conventional ones have truncated triangle-like shapes.Then, as non-promoted CSC samples were more active than their conventional counterparts, nickel promoted catalysts (NiWS) were prepared, with the use of different Ni precursors (such as Ni(acac)2), different preparation methods and Ni amounts. This study gives insights into the sulphidation of W and Ni, and reveals that samples prepared via a molecular approach (CSC) can exhibit intrinsic hydrogenation rates up to four times higher than reference catalysts. These results are explained by an optimal balance between the nature of active Ni-W mixed sites and their amount. These interesting results, obtained for non-promoted and Ni-promoted catalysts, show that the use of a molecular approach is suitable to design highly active hydrotreating catalysts.

Une nouvelle méthodologie de modélisation cinétique des procédés de raffinage traitant les charges lourdes a été développée. Elle modélise, au niveau moléculaire, la composition de la charge et les réactions mises en œuvre dans le procédé.La composition de la charge est modélisée à travers un mélange de molécules dont les propriétés sont proches de celles de la charge. Le mélange de molécules est généré par une méthode de reconstruction moléculaire en deux étapes. Dans la première étape, les molécules sont créées par assemblage de blocs structuraux de manière stochastique. Dans la deuxième étape, les fractions molaires sont ajustées en maximisant un critère d'entropie d'information.Le procédé de raffinage est ensuite simulé en appliquant, réaction par réaction, ses principales transformations sur le mélange de molécules, à l'aide d'un algorithme de Monte Carlo.Cette méthodologie est appliquée à deux cas particuliers : l'hydrotraitement de gazoles et l'hydroconversion de résidus sous vide (RSV). Pour le premier cas, les propriétés globales de l'effluent sont bien prédites, ainsi que certaines propriétés moléculaires qui ne sont pas accessibles dans les modèles traditionnels. Pour l'hydroconversion de RSV, dont la structure moléculaire est nettement plus complexe, la conversion des coupes lourdes est correctement reproduite. Par contre, la prédiction des rendements en coupes légères et de la performance en désulfuration est moins précise. Pour les améliorer, il faut d'une part inclure de nouvelles réactions d'ouverture de cycle et d'autre part mieux représenter la charge en tenant compte des informations moléculaires issues des analyses des coupes de l'effluent.

Dans le domaine pétrolier, l'exploitation de pétroles bruts de plus en plus lourds nécessite de développer des procédés de conversion de ces coupes lourdes en bases carburants valorisables. Parmi ces procédés, l'hydrocraquage permet d'obtenir à partir d'une coupe distillat sous vide (DSV) des gazoles de grande qualité. Afin d'améliorer la compréhension de ce procédé catalytique, une caractérisation détaillée des charges et effluents de ce procédé est nécessaire. Les techniques existantes n'étant pas assez performantes, ce travail de thèse s'est focalisé sur l'utilisation de la chromatographie en phase gazeuse bidimensionnelle haute température (GC×GC-HT) et de la spectrométrie de masse haute résolution à transformée de Fourier (FT-ICR/MS). Il a ainsi été montré que la GC×GC-HT pouvait être utilisée pour éluer des composés ayant des points d'ébullition équivalents au nC68 (641 °C). Ce travail a également permis de proposer une méthode de caractérisation des composés soufrés par familles en GC×GC-HT-SCD dont les résultats sont cohérents avec les données obtenues par FT-MS. Pour les composés azotés, les limites de la GC×GC en terme de séparation ont été atteintes malgré la mise en place d'une pré-séparation en ligne par SFC. Une méthodologie de quantification par famille à partir de la FT-MS a alors été proposée pour étudier sélectivement les composés azotés basiques (mode ESI+) ou neutres (mode ESI-). Ce travail a permis de proposer de nouveaux outils analytiques de caractérisation des DSV et de confirmer la nature chimique des familles les plus réfractaires à l'hydrotraitement, à savoir les composés fortement alkylés de type dibenzothiophène et carbazole.