Approche multi-échelle appliquée à la catalyse hétérogène en milieu oxydant sur Pt/Al2O3 hautement dispersé

A multiscale approach applied to oxidative heterogeneous catalysis on highly dispersed Pt/Al2O3

• Auteur / Autrice : Alexis Sangnier
• Direction : Christophe Dujardin, Céline Chizallet, Mickaël Matrat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et Matière Condensée
• Date : Soutenance le 19/11/2018
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Propène

Méthanol

Oxydation

Monoxyde de carbone

Théorie de la fonctionnelle de densité

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Alumine

Catalyseurs au platine

Oxydation catalytique

Mots clés libres

Réaction en température programmée

Désorption en température programmée

Résumé

L’objectif de ces travaux réside dans une meilleure compréhension de la catalyse d’oxydation sur un catalyseur Pt/γ-Al2O3 hautement dispersé. La thématique est porteuse dans les domaines de la catalyse de dépollution, de l’oxidation sélective des hydrocarbrures ainsi que du développement des piles à combustible. Des phénomènes d’adsorption et d’oxydation ont été étudiés suivant une approche multi-échelle. L’évaluation de phénomènes isolés a été réalisées expérimentalement par désorption et réaction en température programmée, couplée à des analyses de spectrométrie de masse, de FTIR operando ainsi que microGC. La modélisation moléculaire ab initio a été utilisée afin de comprendre le comportement microscopique de l’interaction adsorbat/catalyseur/support lors de ces réactions. Les données thermodynamiques extraites ont été intégrées à des modèles micro-cinétiques détaillés, et ont permis de comparer les expériences simulées et réelles. Trois systèmes ont été explorés en détail : (i) l’adsorption dissociative de O2 en oxygène atomique, (ii) l’adsorption de monoxyde de carbone et (iii) son oxidation en CO2. L’impact de la structuration du catalyseur a été discuté par rapport aux surfaces idéales telles que Pt(111). L’oxydation d’hydrocarbures légers tels que le méthanol et le propène ont fait l’objet d’une étude préliminaire. Un générateur de réactions de surface a été spécialement développés pour automatiser la génération exhaustive de réactions de surface concernant l’oxydation des hydrocarbures.

This work tackles at a better understanding of oxidation catalysis on highly dispersed Pt/Al2O3 surface. This thematic is of great interest for depollution catalysis, for hydrocarbon selective oxidation or even for fuel cell developments. Adsorption and oxidation phenomena were studied with a multi-scale approach. Experimental evaluation of isolated phenomenon were performed using temperature programmed adsorption/reaction coupled with mass spectrometry, operando FTIR and microGC. Ab initio molecular modelling investigations were undertaken to handle the microscopic behaviour of adsorbate/catalyst/support interactions. Thermodynamic data were integrated into exhaustive micro-kinetic models that allow to compare experiments and modelled data. Three systems were fully explored: (i) the dissociative adsorption of O2 into atomic oxygen, (ii) adsorption of carbon monoxide and (iii) oxydation of CO towards CO2. The impact of the catalyst structuration has been discussed with ideal surfaces such as Pt(111). Light hydrocarbons oxidations such as methanol and propene were also investigated in a preliminary way. Surface reaction mechanism generator was specially developped to handle exhaustive hydrocarbon oxidation surface reactions.