Hydrogénation d'espèces carbonées adsorbées sur un catalyseur au fer : Expérimentation et modélisation cinétique

Abstract

Le présent travail porte sur la caractérisation des espèces carbonées adsorbées sur la surface d’un catalyseur au fer 10% Fe/Al₂O₃ réduit à 713 K, par leur hydrogénation en méthane, soit isotherme, soit à température programmée. Les espèces sont formées par contact du solide avec les mélanges réactionnels, soit CO/H₂, soit CO/He. L’objectif fixé est d’étaler les interprétations des résultats observés à l’aide de modèles cinétiques. Ceux-ci doivent ensuite permettre une meilleure utilisation des données expérimentales. Un modèle cinétique basé sur une hydrogénation par étapes successives des espèces adsorbées est présenté, puis confronté aux résultats expérimentaux. Il est montré que l’espèce adsorbée formée par contact avec CO/He s’hydrogène par un mécanisme avec une étape limitante. Par contre, deux espèces formées par contact avec CO/H₂ s’hydrogènent par un mécanisme dans lequel deux ou plusieurs étapes ont une même constante de vitesse. Une série d’expériences complémentaires est présentée à l’appui de ces conclusions. Les énergies d’activation des différentes espèces sont déterminées à partir du formalisme mathématique lié au modèle cinétique, puis comparé à la littérature. L’influence des sites hydrogénants sur les résultats des hydrogénations isothermes est ensuite examinée. Il est montré que les déplacements des pics du méthane lorsque la durée de contact sous CO/H₂ ou sous CO/He augmente sont dûs à une diminution des sites hydrogénants. Au cours ce la discussion, il est montré qu’un modèle cinétique basé sur une hydrogénation des espèces par un mécanisme ayant une étape limitante associée à une augmentation linéaire en fonction du temps du nombre de sites hydrogénants pendant l’hydrogénation pouvait être une alternative à l’interprétation des pics dans la courbe de production du méthane. Toutefois, une série d’observations est présentée permettant d’éliminer cette possibilité. Enfin, différents résultats expérimentaux mettant en jeu l’évolution de la surface du solide par différents traitements, sont interprétés dans le cadre des modèles cinétiques présentés.