Highly selective, active and stable Fischer-Tropsch catalyst using entrapped iron nanoparticles in silicalite-1

par Joffrey Huve

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de David Farrusseng et de Yves Schuurman.

Soutenue le 20-03-2017

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Pascal Fongarland.

Le jury était composé de Anne Galarneau, Dominique Decottignies, Freek Kapteijn.

Les rapporteurs étaient Anne Griboval-Constant, Magnus Rønning.

  • Titre traduit

    Catalyseur de Fischer-Tropsch hautement sélectif, actif et stable utilisant des nanoparticules de fer encapsulées dans une zéolithe de type Silicalite-1


  • Résumé

    L'intérêt pour la synthèse de Fischer-Tropsch (FTS) est d'actualité. Elle permet la conversion de matière première (biomasse) en combustible liquide. Comparés aux catalyseurs à base de cobalt, ceux à base de fer présentent une désactivation rapide, une activité et une sélectivité faibles en produisant une quantité non désirable de CO2. Après plusieurs décennies d'études, l'origine de ces défauts reste méconnue. Les catalyseurs classiques sont généralement fortement chargés en fer (>70 wt.%) et composés de nombreuses phases empêchant l'établissement d'une relation structure-activité. Il est nécessaire de développer des catalyseurs contenant du fer plus actifs, plus sélectifs et plus stables par une approche rationnelle. La synthèse de nanoparticules de taille contrôlée (3.5 nm) encapsulées dans les murs d'une silicalite-1 creuse (Fe@hollow-silicalite-1) est présentée. L'encapsulation empêche le frittage pendant la synthèse de Fischer-Tropsch, permettant de garder une bonne dispersion du fer. Contrairement aux autres catalyseurs, le catalyseur Fe@hollow-silicalite-1actif ne produit pas de CO2. L'hydrophobicité de la silicalite-1 est très certainement à l'origine de la non-production de CO2 par inhibition de la réaction directe du gaz à l'eau. On démontre que le catalyseur Fe@hollow-silicalite-1convertit le CO2 en CO par réaction du gaz à l'eau inversée (R-WGS). Afin d'établir une relation structure-activité, des catalyseurs à base de fer de taille bien contrôlée sont synthétisés et caractérisés (MET, in-situ XANES, in-situ Mössbauer). Deux catégories de TOF suivant la taille des particules, ~10-2 s-1 pour les plus larges (>20 nm) et ~10-3 s-1 pour les plus petites, sont observées


  • Résumé

    Fischer-Tropsch synthesis (FTS) is gaining renewed interests as it allows converting alternative feedstocks (biomass) into liquid fuels. Compared to Co-based catalysts, state of the art Fe catalysts show lower activity, faster deactivation and lower selectivity as it produces an undesirable amount of CO2. Despite decades of studies, the origins of low activity and selectivity and fast deactivation are still unclear. Typical Fe based catalysts are highly metal loaded (>70 wt.%) and composed of many different phases, which strongly impedes the establishment of structure-activity relationships. There is a need to develop more active, more selective and more stable iron FTS catalysts by rational approaches.The synthesis of well-controlled 3.5 nm iron nanoparticles encapsulated in the walls of a hollow-silicalite-1 zeolite (Fe@hollow-silicalite-1) is presented. The encapsulation prevents particle sintering under FTS conditions leading to a high and stable Fe dispersion. The catalyst Fe@hollow-silicalite-1 is active and highly selective in FTS. Most importantly, Fe@hollow-silicalite-1 does not produce CO2 in contrast to all other Fe-based catalysts. The strong hydrophobicity of the silicalite-1 is likely the origin of the lack of CO2 production by inhibition of the forward WGS reaction. We demonstrated that Fe@hollow-silicalite-1converts CO2 into CO by the reverse WGS reaction. In order to establish a structure-activity relationship, a series of Fe-based catalysts with well-controlled particle sizes were synthesized and characterized (TEM, in-situ XANES, in-situ Mössbauer, XRD). We observed two distinct categories of TOFs depending on the particle size, ~10-2 s-1 for larger (>20 nm) and ~10-3 s-1 for smaller ones


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