Controlled synthesis of bimetallic Fe-Ni/SiO2 catalysts for furfural hydrogenation : evidencing the roles of Fe and Ni
Synthèse contrôlée de catalyseurs bimétalliques Fe-Ni/SiO2 pour l'hydrogénation du furfural : mise en évidence des rôles de Fe et Ni
Résumé
Bimetallic Fe-Ni catalysts have been reported to exhibit interesting properties for the selective hydrogenation of oxygenated functions. The purpose of this PhD is to prepare SiO2-supported Fe-Ni bimetallic nanoparticles of homogeneous structure, size and composition, and to evidence the interplay between the two metals, in order to unambiguously link the presence of Fe and Ni within the particles and at their surface with their catalytic performances. Deposition-precipitation with urea under inert atmosphere has been selected as the method to prepare the catalysts, and leads to the formation of a phyllosilicate phase. Fe-Ni alloyed nanoparticles form upon three stages of reduction between 275 and 700 °C: (1) reduction of Fe(III) ions to Fe(II) in the phyllosilicate phase; (2) destruction of the phyllosilicate phase and reduction of Ni(II) to Ni(0), which triggers the progressive reduction of Fe(II) ions to the metallic state and the formation of face-centred cubic (fcc) Ni-rich bimetallic particles; (3) completion of the reduction of Fe(II) ions and migration of Fe(0) to the core of the Fe-Ni nanoparticles. The size distribution of the fcc Fe-Ni nanoparticles is narrow, in the 4-7 nm range. The global composition measured on individual particles exhibits a standard deviation of only 8 at%. The nanoparticles possess an outer oxidic shell enriched in Fe. The specificities of the Fe31Ni69/SiO2 and Fe27Ni73/SiO2 catalysts with respect to their high yield in furfuryl alcohol are explained on the one hand by an optimum reducibility, on the other hand by the major presence of oxophilic Fe and by an adequate Fe/Ni balance at the surface of the particles.
Les catalyseurs bimétalliques Fe-Ni ont été mentionnés comme présentant des propriétés intéressantes pour l'hydrogénation sélective des fonctions oxygénées. Le but de cette thèse est de préparer des nanoparticules bimétalliques Fe-Ni supportées sur SiO2, de structure, de taille et de composition homogènes, et de mettre en évidence les interactions entre les deux métaux, pour relier la présence de Fe et de Ni, dans les particules et à leur surface, aux performances catalytiques. La méthode de préparation choisie est le depôt-précipitation à l'urée sous atmosphère inerte, et conduit à une phase phyllosilicate. Les nanoparticules d'alliage Fe-Ni se forment au travers de trois étapes de réduction entre 275 et 700 °C: (1) réduction des ions Fe(III) en Fe(II) dans la phase phyllosilicate; (2) destruction de la phase phyllosilicate et réduction de Ni(II) en Ni(0), qui provoque la réduction progressive des ions Fe(II) à l'état métallique et la formation de particules bimétalliques cubique faces centrées (cfc) riches en Ni; (3) achèvement de la réduction des ions Fe(II) et migration de Fe(0) vers le coeur des nanoparticules Fe-Ni. La distribution en taille des particules cfc Fe-Ni est étroite, dans l'intervalle 4-7 nm. La composition globale mesurée sur des particules individuelles présente un écart-type de seulement 8 at%. Les nanoparticules possèdent une couche externe enrichie en Fe. Les spécificités des catalyseurs Fe31Ni69/SiO2 et Fe27Ni73/SiO2 quant à leur rendement élevé en alcool furfurylique sont expliquées d'une part par une réductibilité optimale, d'autre part par la présence majoritaire du Fe oxophile et par un rapport Fe/Ni adéquat à la surface des particules.
Domaines
Catalyse
Origine : Version validée par le jury (STAR)