Dehydrogenation mechanisms of methyl-cyclohexane on γ-alumina supported platinum subnanometric-clusters : DFT coupled with experimental kinetics and kinetic modelling

par Wei Zhao

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Philippe Sautet.

Soutenue le 09-11-2017

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale de Chimie (Lyon) , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (établissement opérateur d'inscription) , Laboratoire de Chimie (UMR 5182) (laboratoire) et de Institut Français du Pétrole. Energies Nouvelles (Lyon site) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Mécanismes de déshydrogénation du méthyl-cyclohexane catalysée par des agrégats sub-nanométriques de platine supportés sur alumine gamma : études couplées DFT, cinétique expérimentale et modélisation cinétique


  • Résumé

    Le reformage catalytique vise à transformer les naphtas en aromatiques à haut indice d'octane et à produire simultanément du dihydrogène. Le catalyseur utilisé est composé d’agrégats sub-nanométriques à base de platine hautement dispersées sur un support d’alumine-gamma dont le comportement en réaction pose de nombreuses questions. Nous étudions expérimentalement et théoriquement une réaction modèle qui sonde les sites métalliques, la déshydrogénation du methyl-cyclohexane en toluène. Une compréhension détaillée à l'échelle atomique des mécanismes impliqués et des paramètres cinétiques est nécessaire. Nous avons mise en œuvre des calculs DFT (PBE et PBE-dDsC) sur un modèle pertinent Pt13/alumine-gamma, afin de déterminer les intermédiaires, les états de transition et leurs enthalpies libres. Le mécanisme a été exploré via des étapes séquentielles de rupture des liaisons C-H. Une reconstruction des agrégats se produit le long du chemin réactionnel, mettant en évidence sa fluctionalité (confirmée par dynamique moléculaire). Les enthalpies libres d’activation de la rupture C-H, de migration d’hydrogène et de reconstruction de l’agrégat ont été systématiquement déterminées à T=625 K. L'enthalpie libre la plus élevée (ΔrG‡=95 kJ/mol) est trouvée pour la troisième rupture de liaison C-H sur le methyl-cyclohexène. L'intermédiaire le plus stable est le produit adsorbé {toluène+H2}. Cependant, d’autres étapes de rupture C-H ou de désorption du toluène sont compétitives. Les constantes de vitesse des étapes élémentaires obtenues par DFT sont introduites dans 8 modèles cinétiques différents de type Langmuir-Hinshelwood (LH). La nature de l'étape déterminante de la vitesse a été choisie en fonction des constantes de vitesse de chaque étape élémentaire individuelle, ou de la prise en compte de séquences d’étapes limitantes, grâce à une analyse de type « energetic span ». Nous avons finalement expérimentalement réalisé des tests catalytiques sur Pt/γ-alumine (0.3 wt% Pt) à différentes températures, temps de contact, pressions partielles d’hydrogène et de méthylcyclohexane, pour obtenir des données cinétiques expérimentales. L'enthalpie d'activation apparente de 196 kJ/mol calculée par l’un des meilleurs modèles LH (3ème rupture C-H limitante) est proche de l’expérience (195 kJ/mol). De plus, l’évolution des vitesses de réaction en fonction des pressions partielles d'hydrogène et de méthylcyclohexane est discutée au regard de l’expérience et des modèles. Même si les tendances sont recouvrées par les modèles, des écarts théorie-expérience sont mis au jour, ce qui ouvre des perspectives vers une modélisation microcinétique future.


  • Résumé

    Catalytic reforming aims at transforming naphta into high octane aromatics and producing simultaneously dihydrogen. The catalyst used is composed of platinum-based sub-nanometric clusters highly dispersed on a gamma-alumina support which behavior under reaction conditions is the subject of numerous questions. We investigate experimentally and theoretically one model reaction probing the metal sites, the dehydrogenation of methyl-cyclohexane into toluene. A detailed atomic scale understanding of the mechanisms involved, and their related kinetic parameters, is required. We undertook DFT calculations with PBE and PBE-dDsC functionals on a relevant Pt13/γ-alumina model, in order to determine the intermediates, transition states and their free energies. The reaction mechanism was explored by assuming sequential C-H breaking steps. Reconstructions of the cluster and hydrogen migrations occur along the reaction pathway, highlighting its high fluctionality (also confirmed by molecular dynamics). Free energies of activation for C-H bond breaking, H migration and cluster’s reconstruction were systematically determined at T=625 K. The highest activation Gibbs free energy (ΔrG‡=95 kJ/mol) is found for the third C-H bond breaking on methyl-cyclohexene, while the most stable intermediate is the {toluene+H2} adsorbed product. However, other C-H bond breaking steps and eventually toluene desorption may compete. A comparison with the Pt (111) surface is also given. Rate constants of elementary steps estimated by DFT are introduced in 8 Langmuir-Hinshelwood (LH) kinetic models based on a single rate determining step (RDS) concept, or on a limiting steps sequence deduced from an energetic span analysis. We finally carried out experimental tests on Pt/γ-alumina catalysts (0.3 wt% Pt) at various temperatures, space times, hydrogen and methyl-cyclohexane partial pressures, to provide experimental kinetic data. The calculated apparent activation enthalpy is predicted to be 196 kJ/mol in close agreement with the experimental one (195 kJ/mol) for the best LH model (third C-H bond breaking as RDS). Moreover, the dependence of reaction rates on hydrogen and methyl-cyclohexane partial pressures are discussed with respect to experimental trends and models. Although the main trends are recovered by the kinetic model, some discrepancies are revealed. This work paves the way for a future microkinetic modeling.


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