Catalyst supports with hierarchical and radial porosity : preparation, characterization and catalytic evaluation

par Alejandra Bueno

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de David Farrusseng et de Yves Schuurman.

Soutenue le 18-11-2019

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 David Farrusseng, Yves Schuurman, Céline Chizallet, Michaela Klotz.

Les rapporteurs étaient André Ayral, Vanessa Fierro.

  • Titre traduit

    Supports de catalyseurs à porosité radiale et hiérarchique : préparation, caractérisation et évaluation catalytique


  • Résumé

    La grande majorité des procédés chimiques de transformation sont catalytiques. En catalyse hétérogène, les catalyseurs industriels sont des objets dont la taille est de l'ordre du millimétre au centimètre. Pour la plupart des catalyseurs, la phase active (ex: nanoparticules métallique) est dispersée dans un support mésoporeux ayant une surface spécifique élevé. Pour pallier au problème de limitation diffusionelle interne, on introduit dans le support un réseau secondaire de macropores qui permet d'améliorer la diffusion des substrats. Cependant, dans le cas où la réaction catalytique est particulièrement rapide, la diffusion à l'intérieur du support poreux peut rester limitante (Thiele modulus), entrainant une perte d'efficacité du catalyseur. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'efficacité d'un nouveau support alumine sous forme de bille dont la macroporosité est orientée de façon radiale. Afin de pouvoir quantifier le gain de cette nouvelle structure poreuse, des mesures d'activités pour deux réactions catalytiques modèles, l'oxydation de CO et le craquage de l'iso-octane, ont été réalisées et comparées à ceux de supports commerciaux et de références à porosité hiérarchisée. Pour les deux réactions, le nouveau support permet d'augmenter l'activité de 25 à 95% environ. Sur la base d'une caractérisation fine de la porosité des billes (adsorption N2-77k, porosimetrie à Hg, Tomographie RX), l'activité des catalyseurs a été modélisée. On conclut que le gain d'activité est essentiellement dû à la structuration radiale


  • Résumé

    The vast majority of chemical processes are catalytic. Within the heterogeneous catalysis, industrial catalysts are bodies whose size ranges between 1 mm to 1 cm. For most catalysts, the active phase (i.e. metal nanoparticles) is dispersed in a mesoporous support having a high specific surface area. To overcome the problem of internal diffusional limitation, a secondary network of macropores is introduced within the catalyst support. This improves the diffusion of substrates. However, in the case where the catalytic reaction is particularly fast, the diffusion inside the porous support can remain limiting (Thiele modulus), resulting in a loss of catalytic effectiveness. The objective of this thesis is to study the catalytic effectiveness of a new alumina-based support shaped into spherical pellets, owing a radial macroporosity. In order to quantify the impact of this new porous structure, two model catalytic reactions were chosen to test the catalysts: CO oxidation and isooctane cracking. The catalytic activity was compared to reference commercial supports owing hierarchical porosity. For both reactions, the new support with radial porosity increases the activity from 25 to 95% approximately. On the basis of a fine characterization of the porosity of the beads (adsorption N2-77k, porosimetry Hg, X-ray microtomography), the catalytic activities were modeled. We conclude that the impact on the catalytic activity is essentially due to the radial porous design



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