Activity and selectivity loss modelling on Co based Fischer-Tropsch catalysts - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2019

Activity and selectivity loss modelling on Co based Fischer-Tropsch catalysts

La perte d’activité et de sélectivité des catalyseurs Fischer-Tropsch à base de Cobalt

Résumé

Loss of catalyst activity and selectivity with time-on-stream are one of the greatest limitations for the Fischer-Tropsch (FT) industrial process. There is a lack of consensus about the reasons leading to catalyst deactivation and many different paths towards those inevitable events have been evoked in the literature. Among them, some of the most common hypotheses are oxidation and carburation of active sites. Besides, the diminution of Co catalyst activity during time-on-stream exhibits non-uniform behavior, indicating that this phenomenon might be a result of multiple distinctive events. In this thesis, we concentrate on those paths that concern the active phase only, particularly hydrocarbon-species deposition, active phase oxidation and hydrocarbon-induced surface reconstruction as a function of hydrogen, oxygen and carbon coverage effects. With the aid of periodic Density Functional Theory (DFT) calculations, we determine the Gibbs free energy for a large set of key reactions leading to the formation of CαHβOγ surface species on the Co(111) surface uner FT reaction conditions and we identify intermediates and transition states that may lead to activity and selectivity loss of Co-based catalysts. Hence, we propose here to study how the structure of the cobalt surface evolves as a function of the carbon, hydrogen and oxygen chemical potentials under FT reaction conditions. These calculations allowed us to propose an atomistic structure of some experimentally identified coke precursors and to identify favorable reaction conditions towards their formation. Depending on the (C, H, O) coverages, we identify three structural domains containing surface species related with activity and selectivity trends discussed in the literature so far: firstly, a low C coverage domain, where CHβ monomers are formed, the impact of O atoms is the strongest and leads to adsorbed CO, OH or water as well as to oxidized Co sites; an intermediate C coverage domain, where CαHβ linear oligomers and branched hydrocarbon chains are formed and where reconstruction of Co may take place upon subsurface C migration; and thirdly, a high C coverage domain, where we find the formation of longer branched hydrocarbon chains together with the genesis of a carbon overlayer (graphitic coke-like) that is expected to be the main source of deactivation. For intermediate and high carbon coverages, the impact of O atoms on the surface is weaker and its deposition occurs on top of the carbon overlayer without direct contact with Co sites. With the aid of periodic DFT transition state calculations and microkinetic modeling, we offer some new understandings and ideas related to the mechanism of a carbon induced deactivation phenomenon. Our study shows that surface ethynyl species CCH may be regarded as thermodynamically and kinetically the most plausible deactivation initiators. Moreover, we propose 2+2+2 cycloaddition and some CHβ / CHβ reactions as a mechanism for detrimental coke formation leading to a progressive deactivation by a site-blocking effect. This deactivation mechanism has been integrated to an existing deactivation-free micro-kinetic scheme from the literature. The resulting, two-site deactivation model has been optimized and compared to some experimental observations. Our multiscale (DFT and microkinetic model) reproduces well known experimental trends. Hence, we expect that our work will provide the FT community some valuable insights into this intricate and elusive problem, the kinetics of deactivation, as well as some rational guidelines about how to optimize the catalyst process
La perte d’activité et de sélectivité en fonction du temps sous charge du catalyseur de Fischer-Tropsch (FT) à base de cobalt constituent les principales limitations pour l’industrialisation de ce procédé. La bibliographie montre qu’il n’y a pas de consensus. Différentes causes sont proposées pour expliquer la désactivation du catalyseur et plusieures voies vers ces phénomènes inévitables ont été discutées. Parmi celles-ci, les hypothèses les plus répandues sont l’oxydation et la carburation de la phase active. De plus, la baisse d’activité des catalyseurs en fonction du temps ne presente pas un comportement uniforme, indiquant que ce phénomène est probablement dû à plusieurs voies concurentielles. Dans le cadre de cette thèse, on s’intéresse aux voies relatives à la phase active, plus particulièrement au dépôt des espèces hydrocarbonées, à la reconstruction de surface induite par celles-ci, ainsi qu’à l’oxydation de la phase active en fonction des effets de recouverement en H, O et C. En utilisant les calculs DFT périodiques, nous déterminons l’energie libre de Gibbs pour un large panel de réactions clés qui forment les éspèces de surface C_α H_β O_γ dans les conditions de FT. Nous identifions les intermédiaires et les états de transitions qui conduisent à la perte d’activité et de séléctivité du catalyseur. De ce fait, nous proposons dans ce travail d’étudier l’évolution de la structure de la surface en fonction des potentiels chimiques du C, de H et de O dans les conditions opératoires du procédé FT. La prise en compte de l’H et l’O en tant qu’espèces de surface a été intégrée à nos calculs et a permis de modéliser la structure des précurseurs du coke identifiés experimentalement ainsi que d’identifier les conditions opératoires favorables à leur formation. En fonction du recouverement (C,H,O), nous identifions trois domaines structurels contenant les espèces de surface liées aux tendances d’évolution de l’activité et de la séléctivité discutées dans la bibliographie: tout d’abord, dans un domaine de faible recouvrement en C, où les monomères CH_β sont formés, l’impact des atomes d’O est le plus important et mène aux CO, OH et H2O adsorbés, ainsi qu’à l’oxydation des sites actifs Co. Un deuxième domaine de recouvement moyen en C, où des hydrocarbures linéaires et ramifiés sont formés, et où la reconstruction de Co peut avoir lieu lors de la migration du C vers la sous-surface. Enfin un domaine de recouverement élevé en C a été identifié, où de plus longues chaines d’hydrocarbures ramifiées sont formées. Dans ce domaine, c’est la formation d’une sur-couche de C (similaire à du coke graphitique) qui devrait être la raison principale de la désactivation. Concernant le recouverement intermédiaire et élevé en C, l’impact des atomes d’oxygène sur la surface est plus faible, et son dépôt se produit sur C sans contact direct avec les sites actifs du cobalt. En s’appuyant sur les calculs DFT périodiques et la modélisation micro-cinétique, nous proposons de nouvelles visions et idées relatives aux mécanismes de désactivation dus au C. Notre travail montre que les espèces de surface CCH peuvent être considérées comme les précurseurs de désactivation les plus plausibles d’un point de vue thermodynamique et cinétique. Par ailleurs, nous proposons la cycloaddition 2+2+2 et quelques réactions de couplage CH_β/CH_β comme mécanismes parasites pour la formation du coke, conduisant à la désactivation progressive par blocage des sites actifs. Le mécanisme de désactivation proposé a été integré dans un modèle micro-cinétique initialement dépourvu de la prise en compte de ces phénomènes. Le modèle complet comprenant deux sites actifs a été optimisé et comparé à des observations expérimentales. Ainsi, cette étude apporte un point de vue nouveau sur des questions complexes et débattues au sein de la communauté FT. Une cinétique de désactivation est proposée, et permet de donner des pistes de développement de nouveaux catalyseurs industriels
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-02496065 , version 1 (02-03-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02496065 , version 1

Citer

Stefan Kocic. Activity and selectivity loss modelling on Co based Fischer-Tropsch catalysts. Catalysis. Université de Lyon, 2019. English. ⟨NNT : 2019LYSE1219⟩. ⟨tel-02496065⟩

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