Effect of metal dispersion on the catalytic performance of monometallic Ni/SBA-15 and Cu/SBA-15 catalysts in the hydroconversion of HMF
(Effet de la dispersion des métaux sur les performances catalytiques des catalyseurs monométalliques Ni/SBA-15 et Cu/SBA-15 pour l’hydroconversion de l’HMF)

Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 15/05/2020 (communication intranet).
URL d'accès : http://ori-nuxeo.univ-lille1.fr/nuxeo/site/esupver...

Auteur(s):  Chen, Shuo
Date de soutenance : 09/05/2019
Éditeur(s) : Université Lille1 - Sciences et Technologies 

Langue : Anglais
Directeur(s) de thèse :  Royer, Sébastien ; Marceau, Éric ; Wojcieszak, Robert
Laboratoire : Unité de catalyse et chimie du solide (UCCS)
Ecole doctorale : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq)

Classification : Chimie, minéralogie, cristallographie
Discipline : Molécules et Matière Condensée
Mots-clés : Imprégnation à humidité naissante
5-hydroxyméthylfurfural
Catalyseurs au nickel
Catalyseurs au cuivre
Silice
Hydrogénation
Biomasse -- Conversion
Précipitation (chimie)
Carburants -- Additifs

Résumé : La production d'additifs pour les carburants, d’indices d'octane élevés, à partir des molécules biosourcées telles que le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) est le sujet de nombreuses études. Les catalyseurs à base de Pt, de Pd et de Ru sont décrits comme particulièrement actifs dans la réaction de conversion du HMF en 2,5-diméthylfurane (DMF) et en 2,5-diméthyltétrahydrofurane (DMTHF). Cependant leur substitution dans les formulations catalytiques est souhaitable compte tenu de leur coût élevé et de leur faible disponibilité. Les éléments de substitution peuvent être certains métaux de transition (par exemple Cu ou Ni), plus abondants, mais généralement moins actifs. Mes travaux de recherche ont donc portés sur la préparation de catalyseurs, à base de métaux de transition, actifs et sélectifs pour l'hydrogénation du HMF en des molécules pouvant être incorporées dans les carburants. Les phases actives étudiées au cours de mon doctorat reposent sur les métaux de transition Ni et Cu. Ces phases actives ont été supportées sur des silices mésoporeuses de type SBA-15. L'étude est divisée en deux parties distinctes, en fonction du métal étudié. La première partie du doctorat présente les résultats obtenus avec des catalyseurs monométalliques Ni supportés. Dans un premier temps, l'optimisation des paramètres de réaction pour l'hydroconversion sélective du HMF en DMF et en DMTHF a été réalisée en utilisant un catalyseur préparé par la méthode d'imprégnation à humidité naissante d’une solution du précurseur nitrate (Chapitre 3). Les paramètres de réaction optimisés incluent la température de réaction, la pression de dihydrogène, le rapport molaire HMF/Ni et le temps de réaction. Une étude cinétique préliminaire a également été réalisée. L’effet de la dispersion et de la taille des particules métalliques de Ni sur les performances catalytiques des catalyseurs Ni/SBA-15 a été étudié sur des matériaux préparés par la méthode d’infiltration à l'état fondu des précurseurs nitrates (Chapitre 4). Le niveau de dispersion du nickel a été modifié en utilisant des supports SBA-15 contenant des porosités d’interconnexion différentes et obtenues à différentes températures de synthèse. Les résultats montent que le catalyseur Ni/SBA-15, préparé par la méthode simple IWI, permet d’atteindre des rendements élevés en DMF et DMTHF dans des conditions réactionnelles optimales. Le niveau de dispersion du Ni, tel qu’observé à partir des matériaux obtenus par infiltration des sels fondus, a quant à lui un effet significatif sur l'activité catalytique du catalyseur. La deuxième partie de mes travaux de recherche porte sur les propriétés catalytiques des catalyseurs monométalliques à base de Cu/SBA-15 préparés par différentes méthodes, et présentant des états de division de la phase Cu différents (Chapitre 5). Les modes de synthèse appliqués incluent la méthode d’imprégnation à humidité naissante (IWI), la méthode d'autocombustion in situ (ISAC) et la méthode de déposition par précipitation (DP). La première partie de l’étude a donc portée sur l'optimisation des conditions de réaction pour l'hydroconversion sélective du HMF en DMF (avec le catalyseur Cu/SBA-15 préparé par la méthode ISAC). Les paramètres de réaction optimisés, comme dans le cadre de l’étude avec Ni/SBA-15, ont été la température de réaction, la pression de dihydrogène, le rapport molaire HMF/Cu et le temps de réaction. La réutilisation du catalyseur a également été étudiée, et une étude cinétique de la transformation du HMF sur Cu menée. Cette partie démontre que l’activité du Cu pour la conversion sélective du HMF en DMF dépend principalement de l’état de dispersion du Cu. L'utilisation de la méthode DP a conduit à un catalyseur Cu/SBA-15 hautement divisé, ce qui a permis d’atteindre des rendements élevs en DMF.


Résumé (anglais) : The production of fuel additives, having high octane numbers, from biosourced molecules such as 5-hydroxymethylfurfural (HMF), is the subject of many studies. The Pt, Pd and Ru-based catalysts are described as particularly active in the conversion reaction of HMF to 2,5-dimethylfuran (DMF) and to 2,5-dimethyltetrahydrofuran (DMTHF). However, their substitutions in the catalytic formulations are desirable in view of their high cost and low availability. The substitution elements can be transition metals (for example Cu or Ni), which are more abundant, but generally less active. My research has focused on the preparation of catalysts, based on transition metals, active and selective for the hydrogenation of HMF into molecules that can be incorporated into fuels. The active phases studied during my Ph.D. are based on Ni and Cu transition metals. These active phases were supported on mesoporous silica of SBA-15 type. The study is divided into two distinct parts, depending on the metal studied.The first part of the Ph.D. presents the results obtained with Ni supported monometallic catalysts. In a first step, the optimization of the reaction parameters for the selective hydroconversion of HMF to DMF and DMTHF was carried out using a catalyst prepared by the incipient wetness impregnation (IWI) of the nitrate precursor solution (Chapter 3). Optimized reaction parameters include reaction temperature, dihydrogen pressure, HMF/Ni molar ratio, and reaction time. A preliminary kinetic study was also performed. The effect of the dispersion and size of Ni metal particles on the catalytic performance of Ni/SBA-15 catalysts was studied on materials prepared by the melt infiltration (MI) method of nitrate precursors (Chapter 4). The level of dispersion of the nickel was modified using SBA-15 supports containing different interconnection porosities, obtained at different synthesis temperatures. The results show that the Ni/SBA-15 catalyst, prepared by the simple IWI method, achieves high yields of DMF and DMTHF under optimal reaction conditions. The level of Ni dispersion, as observed from the materials obtained by infiltration of molten salts, has a significant effect on the catalytic activity of the catalyst.The second part of my research focuses on the catalytic properties of Cu/SBA-15 monometallic catalysts prepared by different methods, and having different Cu phase division degree (Chapter 5). The methods of preparation applied include the IWI method, the in situ autocombustion method (ISAC) and the deposition-precipitation method (DP). The first part of the study therefore focused on the optimization of the reaction conditions for the selective hydroconversion of HMF to DMF (over the Cu/SBA-15 catalyst prepared by the ISAC method). Optimized reaction parameters, as for Ni/SBA-15, were reaction temperature, hydrogen pressure, HMF/Cu molar ratio, and reaction time. The reuse of the catalyst was also studied, and a kinetic study of the transformation of HMF on Cu/SBA-15 conducted. This part demonstrates that the activity of Cu for the selective conversion of HMF to DMF depends mainly on the state of dispersion of Cu. The use of the DP method led to a highly divided Cu/SBA-15 catalyst, which made it possible to achieve high yields of DMF.


Cité Scientifique BP 30155 59653 VILLENEUVE D'ASCQ CEDEX Tél.:+33 (0)3 20 43 44 10