Novel preparation techniques and reactivity of cobalt metal nanoparticles for synthesis of clean fuels using Fischer-Tropsch reaction

par Jingping Hong

Thèse de doctorat en Molécules et matière condensée

Sous la direction de Andreï Khodakov et de Wei Chu.

Soutenue le 30-05-2009

à Lille 1 en cotutelle avec Sichuan University .

  • Titre traduit

    Nouvelles techniques de préparation et réactivité des nano-particules métalliques de cobalt pour la synthèse des carburants propres par la réaction Fischer-Tropsch


  • Résumé

    La synthèse Fischer-Tropsch permet de produire des carburants propres à partir du gaz naturel, de la biomasse ou du charbon. Les carburants issus d’une synthèse Fischer-Tropsch sont totalement exempts de soufre et de composés aromatiques. Cette thèse présente de nouvelles approches de conception des catalyseurs Fischer-Tropsch à base de cobalt supportés par des silices mésoporeuses. Ces approches sont fondées sur la promotion de catalyseurs par le ruthénium et la zircone, sur l’utilisation de la technique plasma pour la décomposition du précurseur de cobalt, ainsi que sur l’étude cinétique des étapes élémentaires de la réaction Fischer-Tropsch dans des conditions transitoires dont la méthode TAP. La structure des catalyseurs a été caractérisée à chaque étape de leur synthèse et de leur activation par des techniques physico-chimiques dont certaines techniques in-situ. Il a été démontré que la promotion des catalyseurs avec le ruthénium et l’oxyde de zirconium dépendait fortement de la texture du support. La promotion améliore la performance catalytique de façon plus importante pour les catalyseurs supportés par les silices qui possèdent des pores plus étroits. L’utilisation de la technique plasma pour la décomposition du cobalt permet de contrôler efficacement la taille des nanoparticules de cobalt et donc d’améliorer de façon significative les performances catalytiques. Les études transitoires et la modélisation des étapes élémentaires ont fourni des informations fondamentales sur la nature des sites actifs des catalyseurs à base de cobalt pour la réaction Fischer-Tropsch.


  • Résumé

    Fischer-Tropsch synthesis produces clean hydrocarbon fuels from natural gas, biomass or coal. These synthetic fuels are totally free of sulfur and aromatics. This thesis addresses novel approaches to the design of cobalt Fischer-Tropsch catalysts supported by mesoporous silicas. These approaches involve catalyst promotion with ruthenium and zirconium oxide, use of plasma technology for the decomposition of cobalt precursors and kinetic studies of the elementary steps of the Fischer-Tropsch by transient kinetic methods including TAP. The structure of catalysts was characterized at each stage of their synthesis and their activation by physico-chemical techniques including in-situ methods. It was shown that the promotion of catalysts with ruthenium and zirconium oxide strongly depended on the texture of the support. The promotion improved the catalytic performance more importantly for the catalysts supported by narrow pore silicas. Use of plasma technology for the decomposition of cobalt precursors allowed efficient control of the size of cobalt nanoparticles and thus resulted in the enhanced catalytic performance. Transient kinetic studies and modeling of the elementary reaction steps have provided fundamental information on the nature of active sites in the supported cobalt catalysts for Fischer-Tropsch reaction.


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