Ce projet serait sous la direction de : M. Alexander SACHSE et Mme Camila ABREU TELES
Unité de recherche : IC2MP, équipe SAMCat
École doctorale : Rosalind Franklin – Énergie, Environnement, Bio santé
Intitulé du sujet :
Conception de catalyseurs bifonctionnels métal/zéolithe pour la valorisation catalytique de molécules dérivées de la lignine
Development of Bifunctional Metal/Zeolite Catalysts for the Catalytic Valorization of Lignin-Derived Molecules
Début de thèse : à partir du 01/10/2025
Mots clés : Catalyse hétérogène, zéolithes, biomasse
Résumé:
La valorisation de la fraction lignine de la biomasse lignocellulosique en composés compatibles avec les Carburants d’aviation durables (Sustainable Aviation Fuels-SAF) suscite un intérêt considérable. La production de SAF à partir des huiles de pyrolyse de lignine constitue un défi majeur, qui pourrait être relevé grâce au développement de catalyseurs innovants. Ce projet de thèse vise à concevoir de nouveaux catalyseurs bifonctionnels basés sur des métaux et des zéolithes, afin d’optimiser la production de molécules compatibles avec les SAF à partir de molécules modèles dérivées de la lignine.
__________________
The transformation of lignin fraction of lignocellulosic biomass into compounds compatible with Sustainable Aviation Fuels (SAF) is a topic of significant interest. Producing SAF from lignin-derived pyrolysis oils represents a major challenge that can potentially be addressed through the development of innovative catalysts. This PhD project aims to design novel bifunctional catalysts combining metals and zeolites to enhance the production of SAF-compatible molecules from lignin-derived model compounds.
Contexte et problématique :
L’un des principaux défis de la conversion de la biomasse lignocellulosique en carburants renouvelables réside dans la production sélective d’hydrocarbures adaptés à une utilisation comme carburants liquides, soit pour le mélange, soit pour une consommation directe. Bien que la production d’hydrocarbures C5-C9 à partir de la transformation des différentes familles de composés dérivés de la biomasse (phénols, aldéhydes, furannes) ait prouvé son efficacité, il existe un potentiel considérable dans l’exploration de la production sélective d’hydrocarbures plus lourds (C12-C18), particulièrement adaptés aux carburants à haute densité comme le diesel et les carburants d’aviation.
La lignine, source la plus abondante de composés aromatiques dans la nature et représentant jusqu’à 30 % de la composition de la biomasse, constitue une matière première particulièrement prometteuse pour la synthèse de biocarburants. Cependant, les composés générés par la dépolymérisation de la lignine, par le procédé de pyrolyse, tels que les phénols et les guaiacols, contiennent généralement une seule unité aromatique, nécessitant des réactions de couplage C-C suivies d’une élimination de l’oxygène pour produire des hydrocarbures répondant aux exigences de densité et de performance des carburants à haute énergie.
Une stratégie élégante pour atteindre une production sélective d’hydrocarbures à partir des composés phénoliques dérivés de la lignine combine les réactions d’hydroalkylation et de désoxygénation, en utilisant des catalyseurs bifonctionnels. Dans cette approche, le catalyseur joue un rôle central, en intégrant typiquement un composant métallique pour l’hydrogénation et un composant acide de Brønsted pour les réactions de déshydratation et d’alkylation. Un système particulièrement prometteur associe des catalyseurs métalliques, capables d’hydrogéner sélectivement les composés phénoliques, à des zéolithes possédant de forts sites acides de Brønsted.
__________________________
One of the key challenges in converting lignocellulosic biomass into renewable fuels is achieving the selective production of hydrocarbons suitable for use as liquid transportation fuels, either for blending or direct consumption. While production of C5-C9 hydrocarbons have proven effective from the transformation of the different family of compounds derived from biomass (phenols, aldehydes, furans), there is significant potential in exploring the selective production of heavier hydrocarbons (C12-C18), particularly suited for high-density fuels such as diesel and jet-fuels. Lignin, the most abundant source of aromatic compounds in nature corresponding to up 30% of biomass composition, is a particularly promising feedstock for the synthesis of bio-fuels. However, the compounds generated from lignin depolymerization through pyrolysis process, such as phenols and guaiacols, typically contain only a single aromatic ring, necessitating C–C coupling reactions followed by oxygen removal to produce hydrocarbons that meet the density and performance requirements for high-energy fuels.
An elegant strategy to achieve selective hydrocarbon production from lignin-derived phenolics involves the combination of hydroalkylation and deoxygenation reactions, using dual-functional catalysts. In this approach, the catalyst plays a central role, typically incorporating a metal component for hydrogenation and a Brønsted acid component for dehydration and alkylation reactions. A particularly promising system combines metal catalysts that selectively hydrogenate phenolic compounds with zeolites featuring strong Brønsted acid sites.
Description du sujet :
Ce projet de thèse vise à étudier un processus tandem d’hydroalkylation/désoxygénation pour réaliser la synthèse efficace en une seule étape de carburants à haute densité à partir de composés phénoliques dérivés de la lignine, en utilisant des catalyseurs bifonctionnels métal/zéolithe conçus de manière rationnelle. Les objectifs suivants sont définis :
1. Synthèse de catalyseurs bifonctionnels Ni/Zéolithe : une attention particulière sera portée à l’impact de la porosité de la phase zéolithique (topologie des micropores et présence de porosité secondaire), au confinement des clusters métalliques dans les pores avec un contrôle de la taille et de la distribution des particules, ainsi qu’au réglage de l’équilibre entre les sites métalliques et acides de Brønsted ;
2. Étude de l’impact de l’intimité entre les sites métalliques et acides et de son influence sur les réactions d’hydrogénation, de déshydratation et d’alkylation ;
3. Optimisation de l’équilibre entre les réactions de déshydratation et d’alkylation (sites acides de Lewis vs acides de Brønsted) ;
4. Étude de l’impact des propriétés de sélectivité de forme des zéolithes.
____________________
This PhD project aims to study a tandem hydroalkylation/deoxygenation process to achieve efficient one-pot synthesis of high-density fuels from lignin-derived phenolics over rationally designed bifunctional metal/zeolite catalysts. Following goals are defined :
– Synthesis of bifunctional Ni/Zeolite catalysts. Particular interest will be devoted to the impact of the porosity of the zeolite phase (topology of micropores and presence of secondary porosity), confinement of metal clusters in porosity with control of particles size and distribution, and tuning of the metal/Brønsted acid sites balance ;
– Study on the impact of intimacy between metal/acid sites and its impact on hydrogenation, dehydration and alkylation reactions ;
– Optimization of the balance between dehydration and alkylation reactions (Lewis vs. Brønsted acid sites).
– Impact of the shape-selective properties of zeolites.
Méthodologie et mise en œuvre :
La méthodologie pour atteindre les objectifs fixés dans ce projet comprendra plusieurs étapes. Dans un premier temps, les catalyseurs seront synthétisés et caractérisés à l’aide de méthodes standard telles que la microscopie électronique, la diffraction des rayons X (DRX), la physisorption de gaz, la spectroscopie infrarouge (IR), la spectroscopie Raman et la spectroscopie XPS. Une caractérisation avancée, incluant des techniques de microscopie de pointe et d’absorption des rayons X, sera également effectuée. L’étude catalytique sera menée dans un réacteur discontinu , en faisant varier les conditions de pression et de température. La quantification des produits de réaction sera réalisée par chromatographie en phase gazeuse. En complément, des techniques de caractérisation
in situ (notamment la spectroscopie infrarouge) seront utilisées pour explorer le mécanisme de réaction.
Profil recherché :
Le/la candidat(e) recherché(e) devra être titulaire d’un Master 2 en catalyse et/ou chimie des matériaux, avec une solide maîtrise des techniques de caractérisation des matériaux et des réactions catalytiques. Une bonne compréhension de l’anglais scientifique écrit est également requise. Une attention particulière sera portée à la motivation du/de la candidat(e) pour la recherche scientifique, à sa rigueur intellectuelle, ainsi qu’à sa capacité à travailler de manière collaborative au sein d’une équipe.
___________________________
The ideal candidate should possess a Master’s degree (or equivalent) in catalysis and/or materials chemistry, with demonstrated expertise in materials characterization techniques and catalytic reactions. Proficiency in written scientific English is essential. We will place particular emphasis on the candidate’s enthusiasm for scientific research, strong analytical skills, and ability to work collaboratively within a team environment.
Contact pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 16/05/25 :
alexander.sachse@univ-poitiers.fr