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

Ru/C type ammonia synthesis catalysts are known to be poisoned by hydrogen. In order to elucidate a mechanism for hydrogen poisoning, H2 adsorption and spillover on Ru based ammonia synthesis catalysts were investigated. Supported Ru catalysts and Na promoted Ru catalyst were prepared by incipient wetness impregnation of Ru(NO)(NO3)3 on SiO2, SBA-15, CNT and Vulcan supports. Dispersion value of the catalysts was determined via H2 chemisorption and Transmission Electron Microscopy (TEM) characterization techniques. Over SBA-15 support, the dispersion of the catalyst determined by two different characterization techniques were in agreement. On the other hand, over CNT and SiO2 supports dispersion measured by TEM characterization method was higher than H2 chemisorption method. H2 chemisorption measurements performed over extended periods of time were used to determine the spilled over hydrogen amounts over Ru/Vulcan and Na-Ru/Vulcan catalysts at 375 torr and 10 torr H2 pressure at room temperature. By using H2 uptake data measured for extended periods of 6 &ndash / 24 hours, diffusion coefficient of hydrogen species over Vulcan support was calculated assuming a point source diffusion mechanism. Coefficient of diffusion for Ru/Vulcan and Na-Ru/Vulcan was found as 1.39 x 10-14 cm2/sec and 1.23 x 10-14 cm2/sec, respectively at 375 torr. Similarly, at 10 torr, diffusion coefficients of Ru/Vulcan and Na-Ru/Vulcan catalysts were determined as 1.51 x 10-15 cm2/sec and 1.81 x 10-15 cm2/sec, respectively.

A reação de eletro-oxidação de metanol (MEOR) desempenha um papel crucial na transição para um cenário energético sustentável, sendo aplicável em dispositivos como células a combustível de metanol direto e em processos de eletro-reforma para produção de hidrogênio limpo. Isso permitiria estabelecer um ciclo de energia sustentável, reduzindo a dependência de fontes de energia únicas. No entanto, a implementação em larga escala desses dispositivos enfrenta desafios, sendo essencial compreender o mecanismo da MEOR, identificar sítios ativos e compreender o impacto das condições experimentais na busca por catalisadores eficientes e seletivos. Apesar dos esforços dedicados ao estudo da MEOR, sua complexidade dificulta a correlação entre a resposta cinética eletroquímica e os processos na superfície do eletrodo. Nesse contexto, utilizando abordagens numéricas baseadas em modelagem microcinética e experimentos com eletrodos de platina policristalina e monocristalinos, o estudo foca em compreender o mecanismo de reação, determinar as vias predominantes e avaliar como estas são afetadas pela temperatura, um parâmetro crítico em todas as aplicações. O modelo microcinético proposto foi construído considerando aspectos mecanicistas relevantes e validado por comparação com dados experimentais. O modelo conseguiu simular a dinâmica não linear, incluindo o comportamento caótico, observado experimentalmente, juntamente com um perfil voltamétrico razoável. A análise de sensibilidade destacou a importância das espécies OHad e COad na origem das oscilações. Os experimentos com eletrodos monocristalinos revelaram que a taxa de fluxo de gás pode afetar significativamente a resposta em regime oscilatório, destacando a importância do controle desse parâmetro experimental. Além disso, insights valiosos foram obtidos em relação às oscilações de modo misto, anteriormente pouco compreendidas, que foram associadas ao restabelecimento periódico da concentração de metanol na dupla camada. A influência da temperatura na cinética da MEOR e nas vias de reação paralelas foi investigada usando um eletrodo de Pt(100). Os resultados indicam que medidas cronoamperométricas em estado estacionário fornecem valores mais confiáveis para as energias de ativação aparentes. Observou-se uma mudança dependente da temperatura na predominância de vias de oxidação, sugerindo um mecanismo de controle cinético e termodinâmico para evitar o envenenamento completo da superfície do eletrodo. Em conjunto, as descobertas oferecem informações cruciais sobre o mecanismo de reação, vias predominantes e sua sensibilidade à temperatura. Esses insights são fundamentais para orientar o desenvolvimento de materiais visando aumentar a eficiência da conversão e otimizar a temperatura operacional em dispositivos de conversão de energia, contribuindo assim à transição para um panorama energético mais sustentável.

Dans cette thèse, une approche microcinétique expérimentale est utilisée pour caractériser des étapes élémentaires impliquées dans l’oxydation de CO par O2 sur des catalyseurs à base de Pd et d’Au supportés sur oxydes métalliques et identifier celles qui contrôlent la vitesse de réaction. Sur un catalyseur 1,4%Pd/Al2O3, l’évolution de la production de CO2 (RCO2(t)) par oxydation des espèces CO adsorbées (2 linéaires L et 2 pontées P) a été suivie lors de cycles successifs formation - oxydation des espèces. Une période d’induction est observée, donnant un pic de CO2 caractérisé partm et RCO2m. L’étude de l’impact de différents paramètres expérimentaux sur tm et RCO2m: le tempsde désorption avant oxydation, la pression partielle de O2, la température et le prétraitement ducatalyseur a permis de caractériser les étapes superficielles impliquées. Un modèle cinétique basé surl’oxydation des espèces CO P par une espèce oxygène faiblement adsorbée formée sur des sites libéréspar la désorption et/ou l’oxydation des espèces CO L a permis d’interpréter ces impacts. Ce modèle aégalement permis d’interpréter les différences d’activités du catalyseur vis-à-vis de la réaction CO/O2en fonction de son prétraitement après réduction sous H2 à 713 K : un refroidissement sous hydrogènepermet d’obtenir des conversions de CO proches de 100% à 300 K en excès de O2 alors qu’unedésorption préalable à 713 K donne de faibles conversions (< 4%). Ces différences sont attribuées àune reconstruction de la surface des particules de Pd par désorption de l’hydrogène à 713 K.Sur Au supporté sur Al2O3 et SiO2, l’étude a porté sur la première étape de l’oxydation du CO:l’adsorption du CO. Sous certaines conditions (température et pressions) l’adsorption de CO à 300 Kentraîne une reconstruction progressive des particules d’or modifiant significativement les propriétésdes espèces adsorbées. La cinétique de cette reconstruction à 300 K est étudiée et interprétée / The aim of this thesis is to use an experimental microkinetic approach to characterize elementary steps involved in the oxidation of CO by O2 over Pd and Au catalysts supported on Al2O3 and SiO2 and to identify those controlling the rate of the reaction. On 1.4% Pd/Al2O3, the evolution of the production of CO2 (RCO2(t)) by oxidation of the adsorbed CO species (2 linear L and 2 bridged B) was followed during successive formationoxidation cycles. An induction period is observed leading to a CO2 peak characterized by tm and RCO2m. The study of the impacts of different experimental parameters on tm and RCO2m such as the duration of a desorption before oxidation, the partial pressure of O2, the temperature and thepretreatment of the catalyst allows us to characterize the different surface elementary steps of thereaction. A kinetic model is proposed which is based on the oxidation of the B CO species by a weaklyadsorbed O species formed on Pd sites liberated by the desorption and the oxidation of the L COspecies. This model allows us to interpret the differences in the catalytic activity of the catalyst for theCO/O2 reaction according to the pretreatment procedure after reduction with H2 at 713 K: cooling thesolid in hydrogen permits obtaining a CO conversion of ��100% in excess O2 whereas a desorption at713 K provides CO conversions < 4%. These differences are ascribed to the reconstruction of thesurface of the Pd particles during the hydrogen desorption at 713 K. On Au/Al2O3 and Au/SiO2, the study concerns the first step of CO oxidation: the adsorption of CO. For a set of experimental conditions (Temperature and partial pressures), the adsorption of CO at 300 K leads to a progressive reconstruction of the Au particles modifying significantly the propertiesof the adsorbed species. The kinetic of this reconstruction is studied.

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La présente étude a pour objectif l'obtention d'une équation donnant la vitesse globale de la réaction (activité catalytique) de la réaction NH3-SCR sur des catalyseurs du type V2O5/WO3/TiO2 (a) utilisable pour des conditions expérimentales (pressions partielles des réactifs et des constituants du mélange gazeux et températures) réalistes des conditions des rejets gazeux des centrales à charbon et (b) capable de rendre compte des effets d'empoisonnements chimiques du catalyseur. Cette équation sera implantée dans un logiciel de modélisation de l'évolution des performances des catalyseurs industriels développé par EDF. Pour remplir ces objectifs, les outils et les procédures pour l'approche microcinétique expérimentale ont été appliqués. La caractérisation de la première étape clé qui consiste à adsorbé le réactif NH3 à la surface du catalyseur (type d'adsorption, chaleurs d'adsorption de chaque espèce) a nécessité le développement de la méthode AEIR (initialement adaptée à la caractérisation de CO adsorbé sur des particules métalliques). La réactivité des espèces NH3 adsorbées vis-à-vis des différents réactifs (H2O, NOx, O2) a ensuite été étudiée, conduisant à l'élaboration d'un mécanisme cinétique plausible. A partir de ce mécanisme, un modèle cinétique de la réaction NH3-SCR a été développé et comparé aux données expérimentales obtenues sur catalyseurs modèles et commerciaux. Dans la suite de l'étude, les impacts de plusieurs poisons sur les paramètres contrôlant la cinétique de la réaction ont été déterminés expérimentalement. Dans une dernière partie, un modèle permettant de modéliser les performances catalytique de monolithes a été développé (en intégrant le modèle cinétique mis en place au cours de cette étude) et comparé à des données expérimentales / The aim of the study is to obtain an equation for the overall reaction rate of the NH3-SCR reaction over V2O5/WO3/TiO2 catalysts (a) used for the experimental conditions (partial pressure of components of the gas mixture and temperature) realistic conditions of discharges from coal power plant and (b) able to take into account the chemical poisoning effects of the catalyst. This equation will be implemented in software developed by EDF for modeling the evolution of the performance of industrial catalysts. To fulfill these objectives, tools and procedures for the experimental microkinetic approach were applied. The characterization of the first key step of the reagent adsorbed NH3 on the surface of catalyst (type adsorption, heats of adsorption of each species) has necessitated the development of the AEIR method (initially adapted to the characterization of CO adsorbed on metal particles). The reactivity of the NH3 adsorbed species to the various reagents (H2O, NOx, and O2) was then studied, leading to the development of plausible kinetic mechanism. From this mechanism, a kinetic model of the NH3-SCR reaction has been developed and compared to experimental data obtained on model and commercial catalysts. In the remainder of the study, the impacts of several poisons to parameters that control the kinetics of the reaction were determined experimentally. In the last part, a model of catalytic monoliths performances was developed (by integrating the kinetic model developed in this study) and compared to experimental data

Le but de cette étude est de trouver un matériau catalytique pour la réduction catalytique sélective des NOx par les hydrocarbures (HC-SCR) dans l’échappement Diesel par une approche haut débit (HTE : high throughput experiments). Ce matériau doit être actif à basse température et stable hydrothermiquement à hautes températures. Une bibliothèque de 150 catalyseurs a été synthétisée. Les catalyseurs sont constituées d’Ag, Au, Cu supportés sur Al2O3, TiO2, ZrO2, CeO2 qui peuvent être dopés (Ga, Mo…). Ceux-ci sont testés en parallèle dans un dispositif constitué de 16 réacteurs (SWITCH-16) au cours réaction à température programmée (TPR) avec un flux modèle (100ppm NO / 350ppm C3H6 / 15% O2 /11% H2O). Le meilleur catalyseur 5%Ag/1%P/Al2O3, testé plus avant, montre une température de light-off de 50°C en dessous de celle d’un catalyseur commercial de référence et celui-ci est stable après un vieillissement de 16h à 750°C en présence d’eau. Ce catalyseur est ensuite enduit par voie sol-gel sur un monolithe (1*2 pouces et 300 cpsi) et testé sur un mini-pilote. Les tendances obtenues en réacteur à lit fixe montés en parallèle sont confirmées sur mini-pilote. En parallèle une approche microcinétique expérimentale des étapes élémentaires de surface impliquées dans la HC-SCR du NO sur un catalyseur Ag/Al2O3 a été utilisée pour déterminer les étapes élémentaires contrôlant la conversion du NO en prenant en compte l’adsorption compétitive entre NO et CO présent dans le gaz d’échappement Diesel. Nous avons identifié l’élimination des espèces Oads adsorbées sur des sites Ag° comme étape limitante pour la production de N2 et suggéré une nouvelle orientation possible pour l’étude HTE. / The aim of this study was to discover a catalytic material for NOx reduction by HC-SCR in Diesel exhaust which is active at the lowest temperatures and hydro thermally stable at high temperatures by using High Throughtput experiments (HTE). A library of 150 catalysts was synthesized. Catalysts are supported Ag, Au, Cu on Al2O3, TiO2, ZrO2, CeO2 and further doped with different dopants (Ga, Mo, …). They were tested in a 16-parallel reactor (SWITCH-16) using a Temperature Program Reaction (TPR) protocol with a model feed (100ppm NO / 350ppm C3H6 / 15% O2 /11% H2O). The best catalyst formulation 5%Ag/1%P/Al2O3, which was further improved, exhibits a light off temperature of 50°C lower than a reference commercial catalyst and is stable after ageing at 750°C in presence of water for 16 hrs. For pilot testing, the best catalyst was deposited by sol-gel method on a 1x2 inch monolith (300 cpsi). We showed the consistency of catalytic results obtained in the parallel fixed beds match with monolith bench testing. In parallel a experimental microkinetic approach of surface elementary steps involved in the HC-SCR of NO on Ag/Al2O3 catalyst has been performed to reveal the elementary steps controlling the conversion of the NO reactant taking into account the competitive chemisorption between NO and CO that is present in an exhaust gas. We identified the elimination of Oads species adsorbed on Ag° sites as the limiting step for the N2 production and suggested a new orientation of a HTE study.

Fischer-Tropsch synthesis (FTS), developed in the early 1900's, is defined as the catalytic conversion of H2 and CO to hydrocarbons and oxygenates with the production of H2O and CO2. Accurate microkinetic modeling can in principle provide insights into catalyst design and the role of promoters. This work focused on gaining an understanding of the chemistry of the kinetically relevant steps in FTS on Fe catalyst and developing a microkinetic model that describes FTS reaction kinetics. Stable Al2O3-supported/promoted (20% Fe, 1% K, 1% Pt) and unsupported Fe (99% Fe, 1% Al2O3) catalysts were prepared and characterized. Transient experiments including temperature programmed desorption (TPD), temperature programmed hydrogenation (TPH), and isothermal hydrogenation (ITH) provided insights into the chemistry and energetics of the early elementary reactions in FTS on Fe catalyst. Microkinetic models of CO TPD, ITH, and FTS were developed for Fe catalyst by combining transition state theory and UBI-QEP formalism. These models support the conclusion that hydrocarbon formation occurs on Fe via a dual mechanism involving surface carbide and formyl intermediates; nevertheless, hydrocarbon formation is more favorable via the carbide mechanism. Carbon hydrogenation was found to be the rate determining step in the carbide mechanism. CO heat of adsorption on polycrystalline Fe at zero coverage was estimated to be -91.6 kJ/mol and -64.8 kJ/mol from ITH and FTS models respectively, while a mean value of -50.0 kJ/mol was estimated from the TPD model. Statistically designed steady-state kinetic experiments at conditions similar to industrial operating conditions were used to obtain rate data. The rate data were used to develop a microkinetic model of FTS. FTS and ITH appear to follow similar reaction pathways, although the energetics are slightly different. In both cases, hydrocarbon formation via the carbide mechanism was more favorable than via a formyl intermediate while carbon hydrogenation was the rate determining step. Promotion of Fe with K does not alter Fischer-Tropsch synthesis reaction pathways but it does alter the energetics for the steps leading to the formation of CO2. This phenomenon accounts for the CO2 selectivity of 0.3 observed for K-promoted Fe against 0.17 observed for un-promoted Fe. A Langmuir Hinshelwood rate expression derived from the microkinetic model was put into a fixed bed FTS reactor design code; calculated reactor sizes, throughput, temperature profiles and conversion are similar to those of pilot and demonstration FTS reactors with similar feed rates and compositions.

L’objectif de cette thèse est de développer des outils et des procédures pour l’approche par lamicro-cinétique expérimentale, de la réaction CO/O2 appliquée aux catalyseurs à base d’iridium et departicules bimétalliques Pt-Pd supportées sur alumine. La caractérisation de la première étape cléd’adsorption du réactif CO sur différents métaux (type d’adsorption, chaleurs d’adsorption de chaqueespèce) a nécessité le développement d’une méthode initialement adaptée à l’analyse IR en modetransmission dite méthode AEIR (Adsorption Equilibrium InfraRed spectroscopy). Les conditionsexpérimentales permettant une exploitation quantitative des spectres IR en mode réflexion diffuse ontété déterminées pour l’utilisation de la méthode AEIR. Cette méthode a ensuite été développée enétendant son domaine d’application à des catalyseurs reconnus comme dissociant fortement le COd’une part en mode réflexion diffuse pour des catalyseurs ne pouvant être étudiés en modetransmission (Fe/Al2O3) et d’autre part en mode transmission (Co/Al2O3). L’impact des paramètres liésà la préparation du catalyseur (nature du support, dispersion de la phase métallique et formation departicules bimétalliques) sur les chaleurs d’adsorption a ensuite été évalué sur des catalyseurs à based’iridium et des catalyseurs tels que Pt-Pd, Pt-Cu respectivement. Enfin l’approche micro-cinétique dela réaction CO/O2 appliquée aux catalyseurs à base d’iridium et de particules bimétalliques Pt-Pd, viaune étude par oxydation isotherme des espèces CO adsorbées à basses températures, a montré que lesétapes superficielles impliquées étaient similaires à celles sur platine et palladium. Les impacts dedivers paramètres expérimentaux sur l’oxydation des espèces CO adsorbées caractérisée par unepériode d’induction sont qualitativement identiques, seuls les paramètres cinétiques tels que l’énergied’activation apparente de la réaction sont modifiés. / The aim of this thesis is to develop tools and procedures to study by the experimentalmicrokinetic approach, in particular for the CO/O2 reaction applied to metal supported catalystcontaining iridium particles and bimetallic Pt-Pd particles. The characterization of the first elementarystep of CO adsorption on different metals (nature of adsorption, heat of adsorption of each species) hasrequired the development of a method initially adapted for the IR analysis in transmission mode:AEIR method (Adsorption Equilibrium InfraRed spectroscopy). The experimental conditions allowinga quantitative exploitation of IR spectra in diffuse reflectance mode has been established allowing theuse of the AEIR method. This method has been developed extending the range of application oncatalysts that dissociate strongly CO firstly using diffuse reflectance mode for catalyst which can notbe study in transmission mode (Fe/Al2O3) and then in transmission mode (Co/Al2O3). The impact ofparameters linked to the preparation of catalyst (nature of the support, dispersion of metallic phase,and formation of bimetallic particles) on the heat of adsorption has been evaluated on Ir catalysts andbimetallic particles like Pt-Pd, Pt-Cu respectively. Then, the microkinetic approach of the CO/O2reaction dedicated to Ir and Pt-Pd catalysts, considering the isothermal oxidation of CO adsorbedspecies at low temperature, has shown that the superficial steps involved were similar to those for Ptand Pd catalysts. The impacts of several experimental parameters on the oxidation of CO adsorbedspecies characterized by an induction period are qualitatively identical, only the kinetic parameterslike the apparent activation energy are modified.

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