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RÉSUMÉ
Les réactions modèles permettent de caractériser les catalyseurs hétérogènes en conditions opératoires. Leur utilisation, basée sur l’étude des paramètres catalytiques (conversion, sélectivité, désactivation), permet d’accéder aux caractéristiques des sites actifs : nature (acide, base, acido-basique, redox), force, densité, environnement et à leur effet sur la vitesse de réaction. La mise en œuvre et l'apport des réactions modèles, comparativement à des méthodes de caractérisation physico-chimiques, sont discutés de façon critique dans cet article pour les catalyseurs acides, basiques, métalliques ou sulfures.
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Guillaume CLET : Maître de conférences - Normandie Université, ENSICAEN, Université de Caen Normandie, CNRS, Laboratoire Catalyse et Spectrochimie, 14000 Caen, France
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Laetitia OLIVIERO : Maître de conférences - Normandie Université, ENSICAEN, Université de Caen Normandie, CNRS, Laboratoire Catalyse et Spectrochimie, 14000 Caen, France
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Ludovic PINARD : Maître de conférences, Membre du Groupe Français des Zéolithes - Université de Poitiers, Institut de Chimie et Matériaux de Poitiers (IC2MP), 86073 Poitiers, France
INTRODUCTION
La catalyse est omniprésente dans nos sociétés technologiques. On estime que plus de 95 % des molécules synthétisées ont vu au moins une fois un catalyseur homogène ou hétérogène. Les catalyseurs, et notamment les solides (catalyse hétérogène), sont fondamentaux pour permettre par exemple la fabrication sélective de très nombreux intermédiaires ou produits chimiques dans les meilleures conditions, ainsi que pour dépolluer les rejets d’usine ou les gaz d’échappement. Ainsi, la catalyse hétérogène, avec la biocatalyse dans une moindre mesure, apparaît comme la clé de voûte de la transition énergétique et de la résolution de nombreux enjeux environnementaux de nos sociétés. Ce domaine pluridisciplinaire, à la fois passionnant d’un point de vue scientifique et économique, implique des connaissances sur les matériaux catalytiques, allant de leur préparation à leur caractérisation (en particulier celle de leur surface), en passant par la compréhension des réactions (cinétique et mécanismes), sans oublier l’optimisation de leur mise en œuvre.
Les méthodes physico-chimiques sont fréquemment utilisées pour caractériser les catalyseurs hétérogènes. Cependant, les conditions opératoires d’analyse inhérentes à chaque technique de caractérisation sont souvent éloignées de celles des réactions catalytiques : par exemple, l’information obtenue pour un catalyseur étudié sous vide est-elle suffisante pour comprendre les propriétés d’un catalyseur qui opère en réaction sous pression ? Cet écart n'existe pas ou est limité lorsque l’on caractérise le catalyseur grâce à des réactions modèles qui sont effectuées dans des conditions se rapprochant des conditions industrielles. En se basant sur une connaissance approfondie de leur mécanisme et/ou des intermédiaires et produits de réaction, l’utilisation de réactions modèles permet d’étudier, dans les conditions de fonctionnement proches de l’application, les caractéristiques des sites actifs : nature (acide, base, acido-basique, redox), force, densité, environnement et leur effet sur la vitesse de réaction. Parallèlement, les propriétés texturales comme la surface externe, les volumes microporeux et mésoporeux, la taille et la forme des cristaux, etc., restent quasi exclusivement accessibles via des méthodes d’analyse ex-situ.
Cet article vise donc à répertorier l’apport des réactions modèles dans la caractérisation des grandes familles de catalyseurs hétérogènes, tels que les oxydes (SiO2-Al2O3, Al2O3, MgO, etc.), les zéolithes, les métaux supportés et les catalyseurs sulfures. Une attention particulière sera portée sur les conditions de la mise en œuvre de cette technique de caractérisation afin d’obtenir des données d'activité et de sélectivité exploitables. Les réactions adaptées à chacune de ces grandes familles de catalyseurs étant indépendantes, le lecteur pourra ainsi à sa guise se limiter à la famille de catalyseurs qui l’intéresse plus spécifiquement.
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MOTS-CLÉS
Catalyseur acide Catalyseur basique Catalyseur métallique Catalyseur sulfure Site catalytique actif Sélecitivité catalytique
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Sélection et mise en œuvre appropriée de la réaction modèle
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1. Différentes classes de catalyseurs et leurs caractérisations physico-chimiques
1.1 Nature des sites en fonction des catalyseurs
Les catalyseurs solides peuvent être classés en deux catégories [J 1 250]:
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les conducteurs du courant électrique : métaux, semi-conducteurs qui sont actifs dans les réactions d’oxydoréduction. Leur action catalytique peut être liée à leur rôle de réservoir d’électrons, électrons qui peuvent donc être échangés avec les réactifs ;
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les isolants qui catalysent des réactions attribuables aux acides ou aux bases en catalyse homogène : déshydratation, isomérisation, craquage, etc. Leur action catalytique est reliée aux propriétés acido-basiques de leur surface.
Cette classification est trop générale pour guider le choix de catalyseurs optimaux pour une réaction donnée ; en effet, les activités dépendent beaucoup du catalyseur choisi, notamment en raison des stabilités très différentes des intermédiaires chimisorbés sur les catalyseurs d’une même catégorie. Par ailleurs, la qualité des catalyseurs ne se résume pas à leur activité ; leur sélectivité et leur stabilité doivent également être considérées. Enfin, dans les catalyseurs industriels, les deux catégories de solides (conducteurs et isolants) sont très fréquemment associées : ainsi, des composés très coûteux tels que les métaux nobles sont généralement dispersés sur des solides acides isolants, le caractère bifonctionnel du catalyseur obtenu étant essentiel à la catalyse de la réaction considérée (exemple : hydroisomérisation, hydrocraquage d’hydrocarbures ...
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Différentes classes de catalyseurs et leurs caractérisations physico-chimiques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - TOPSØE (H.), CLAUSEN (B.S.), MASSOTH (F.E) - Hydrotreating Catalysis. In Catalysis : Science and Technology. - Anderson, J. R., Boudart, M., Eds. ; Catalysis-Science and Technology ; Springer : Berlin, Heidelberg (1996).
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(2) - NINH (T.K.T.), MASSIN (L.), LAURENTI (D.), VRINAT (M.) - A New Approach in the Evaluation of the Support Effect for NiMo Hydrodesulfurization Catalysts. - Applied Catalysis A : General, 407 (1), p. 29-39 (2011).
-
(3) - KASZTELAN (S.), TOULHOAT (H.), GRIMBLOT (J.), BONNELLE (J.P.) - A Geometrical Model of the Active Phase of Hydrotreating Catalysts. - Applied Catalysis 13 (1), p. 127-159 (1984).
-
(4) - GUISNET (M.), PINARD (L.) - Characterization of Acid-Base Catalysts through Model Reactions. - Catalysis Reviews 60 (3), p. 337-436 (2018).
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(5) - LERCHER (J.A.), JENTYS (A.), BRAIT (A.) - Catalytic Test Reactions for Probing the Acidity and Basicity of Zeolites. - In Acidity and Basicity ; Molecular Sieves ;...
ANNEXES
BARBILLAT (J.), BOUGEARD (D.), BUNTINX (G.), DELHAYE (M.), DHAMELINCOURT (P.) et FILLAUX (F.). – Spectrométrie Raman. [P 2 865] (1999).
BROLL (N.). – Caractérisation de solides cristallisés par diffraction X. [P 1 080] (1996).
CAZAUX (J.). – Spectroscopie Auger – Principes et performances en sonde fixe. [P 2 620] (2007).
DESPUJOLS (J.). – Spectrométrie d’émission des rayons X. Fluorescence X. [P 2 695] (2000).
DI BENEDETTO (D.), BREUIL (P.). – Spectrophotométrie d'absorption dans l'ultraviolet et le visible. [P 2 795] (2019).
FONTAINE (A.). – Spectroscopie d’absorption X (EXAFS et XANES) Application du rayonnement synchrotron. [P 2 698] (1989).
FRAYRET (J.), MERMET (J.-M.), PAUCOT (H.). – ICP-OES : couplage plasma induit par haute fréquence – spectrométrie optique. [P 2 719] (2012).
GUISNET (M.), PINARD (L.). – Catalyse hétérogène : désactivation et régénération des catalyseurs. [J 1 265] (2014).
GUISNET (M.). – Catalyse acido-basique. [J 1 210]...
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