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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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Model reactions are used for characterizing heterogeneous catalysts under operating conditions. Their application, based on the analysis of catalytic parameters (conversion, selectivity, deactivation), allows access to the characteristics of the active sites: nature (acid, base, acid-base, redox), strength, density, environment, and their effect on the reaction rate. The implementation and contribution of model reactions in comparison to physico-chemical characterization methods, is critically discussed in this article for acid, base, metal, or sulfide catalysts.
Auteur(s)
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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
-
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
KEYWORDS
acid catalyst | base catalyst | metal catalyst | sulfide catalyst | catalytic active site | catalytic selectivity
DOI (Digital Object Identifier)
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Différentes classes de catalyseurs et leurs caractérisations physico-chimiques
En anglais
8. Glossaire
Craquage ; cracking
En pétrochimie, thermolyse du pétrole et de ses dérivés liquides. L'opération consiste à casser une molécule organique complexe en éléments plus petits, notamment des alcanes, des alcènes, des aldéhydes et des cétones.
Dispersion ; dispersion
Rapport entre le nombre d'atomes de surface et le nombre total d'atomes. C'est un nombre sans unité, souvent exprimé en %.
Dismutation ; dismutation
Réaction chimique dans laquelle une espèce réagit avec elle-même, et se trouve après la réaction sous la forme de deux espèces.
Hydrogénation ; hydrogenation
Réaction chimique qui consiste en l'addition d'une molécule de dihydrogène (H2) à un autre composé. Cette réaction est habituellement employée pour réduire ou saturer des composés organiques.
Ion carbénium ; carbenium ion
Carbocation dont l'atome de carbone qui porte la charge électrique est trivalent, ce qui lui donne une configuration plane trigonale résultant d'une hybridation sp.
Ion carbonium ; carbonium ion
Carbocation dont l'atome de carbone portant la charge électrique, est tétra- ou pentacoordonné.
Hydrogénolyse ; hydrogenalysis
Réaction chimique par laquelle une liaison covalente carbone-carbone ou carbone-hétéroatome est décomposée ou subit une lyse par action d'hydrogène.
Principe de Sabatier ; Sabatier principle
Concept qualitatif en catalyse chimique hétérogène du nom du chimiste français Paul Sabatier qui déclare que les interactions entre le catalyseur et le substrat doivent être « parfaites », c'est-à-dire ni trop fortes ni trop faibles.
Temps de contact ; contact time
Caractéristique importante d'un réacteur ouvert en mode continu en génie chimique qui indique le temps théorique que passent les réactifs ou produits dans le lit catalytique. La définition mathématique est donnée en divisant le volume du lit catalytique par le débit volumique.
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(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).
-
(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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