A Theoretical Perspective on Hydrogenation and Oligomerization of Acetylene over Pd Based Catalysts

Une étude théorique de l’hydrogénation et l’oligomérisation de l’acétylène sur des catalyseurs de palladium

• Auteur / Autrice : Emanuele Vignola
• Direction : Philippe Sautet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 29/09/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie - UMR5182 / LC
• Jury : Président / Présidente : Jean-Sébastien Filhol
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Sautet, Jean-Sébastien Filhol, Karoliina Honkala, Felix Studt, Stephan Steinmann, Céline Chizallet, Daniel Curulla Ferré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karoliina Honkala, Felix Studt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Catalyse

Acétylène

Hydrogénation

Mots clés libres

Hydrogénation

DFT

Acétylène

Catalyse

Chimie computationnelle

Hamiltonienne paramétrée

Méthode Monte Carlo

Palladium

Hydrogenation

DFT

Acetylene

Catalysis

Computational Chemistry

Cluster expansion

Monte Carlo Method

Palladium

Résumé

L’hydrogénation sélective de l’acétylène est un processus fondamental pour l’industrie pétrochimique qui permet la purification de l’éthylène utilisé dans les réactions de polymérisation. Ce processus est promu par des catalyseurs au palladium, qui présentent une bonne sélectivité en éthylène par rapport au produit d’hydrogénation totale, c’est-à-dire l’éthane. Les catalyseurs de palladium pur sont malheureusement désactivés par des oligomères qui se forment comme sous-produits de la réaction d’hydrogénation. Les catalyseurs d’usage industriel sont, pour cette raison, plutôt des alliages de palladium avec d’autres métaux, comme par exemple, l’argent. Ces alliages réduisent la production des oligomères, sans pour autant les supprimer complètement. Ce travail de thèse a été focalisé sur la compréhension à l’échelle moléculaire de la formation de ce mélange d’oligomères, souvent appelée « huile verte ». Pour commencer, une approche de champ moyen a été développée pour déterminer rapidement l’état de la surface catalytique de l’alliage Pd-Ag en condition de réaction. Ce modèle a montré que l’acétylène est capable de réorganiser la couche de la surface et de générer des îles de palladium. Pour confirmer cette prédiction, nous avons effectué des simulations Monte Carlo en utilisant un Hamiltonien modèle. Ces calculs ont produits des résultats similaires au modèle analytique simple. Ayant attribué la formation des oligomères aux domaines de palladium ainsi obtenus, les étapes de d’oligomérisation ont été étudies et comparés à celles qui décrivent l’hydrogénation de l’acétylène. Les calculs, réalisé avec l’approximation de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), ont montré que la formation des oligomères est compétitive avec l’hydrogénation. En plus, les oligomères sont plus faciles à hydrogéner que l’acétylene et pourraient, donc, impacter négativement sur l’hydrogénation sélective de l’acétylène. Le rôle exact des îles de palladium sous conditions réalistes est encore à clarifier, sachant que le palladium est recouvert d’une grande variété d’espèces chimiques. Les techniques d’intelligence artificielle peuvent aider à atteindre ce but : nous avons ainsi démontré qu’il est possible d’interpoler les résultats des calculs DFT d’une façon automatique et de décrire l’énergie du système en série de coefficients « cluster ». Ceci permet de prendre en compte les interactions latérales entre espèces chimiques à la surface du palladium.

Selective hydrogenation of acetylene in ethylene-rich flows is a fundamental process in the petrochemical industry since it allows the purification of ethylene for polymer applications. The reaction is catalyzed by Pd, which features acceptable selectivity towards ethylene compared to the total hydrogenation product, ethane. Pure Pd is, however, deactivated by oligomeric byproducts, known as ”green oil” in the literature. Therefore, most industrial catalysts are Pd-Ag alloys, where Ag helps to suppress the secondary reactions. This work addresses the formation of initial oligomers on Pd and Ag-Pd catalysts. A mean field based theoretical model was built to efficiently screen the topology of the topper most layer of the alloy catalyst under relevant conditions. This model gave evidence for strongly favored Pd island formation. To confirm this result, the system was then re-investigated by means of Monte Carlo simulations including the effect of segregation. Emergence of large domains of Pd were confirmed over large ratios of Ag to Pd. Green oil is expected to form on these catalytically active islands. To obtain a detailed view on the oligomerization process, activation energies were computed both for hydrogenation and oligomerization steps by periodic density functional theory on Pd(111). Oligomerization was found to be competitive with hydrogenation, with the hydrogenation of the oligomers being among the fastest processes. The role of Pd domains to green oil formation is still to be clarified under realistic conditions, where the surface is covered by many different species. A step forward to this goal was taken by developing a machine-learning tool which automatically interpolates model Hamiltonians on graphical lattices based on DFT computations, accounting for lateral interactions and distorted adsorption modes on crowded surfaces.