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RÉSUMÉ
La chimie intégrative, par intégration de la chimie sol-gel et des fluides complexes, permet de concevoir des oxydes céramiques monolithiques à porosité ouverte. Ces catalyseurs labellisés MUB, acronyme pour « Matériaux de l’Université de Bordeaux », possèdent une porosité hiérarchique ouverte où transport de masse et transport de photons sont optimisés au regard de systèmes micro-mésoporeux classiques. Dans cet article, leurs efficacités sont illustrées envers une catalyse à vocation environnementale, en phases liquide ou gazeuse. Enfin, les avantages de ces nouveaux catalyseurs sont énoncés, sans oublier leurs perspectives d’amélioration en termes de briques technologiques à appréhender.
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Rénal BACKOV : Centre de recherche Paul Pascal, UMR-CNRS 5031, Pessac, France
INTRODUCTION
Cet article n’a pas vocation à reformuler les fondements d’une catalyse de contact dite « hétérogène », ni d’en revisiter les équations cinétiques associées et autres formalismes de mouillabilité, d’adsorption et de désorption aux interfaces. Ces arguments cinétiques sont d’ores et déjà traités de manière idoine et exhaustive par ailleurs et de nombreux ouvrages y sont dédiés dans les Techniques de l’Ingénieur [J 1 180] [J 1 182] [J 1 250] [J 1 255] [J 1 265]. Notre propos sera ici assez descriptif, mais nous l’espérons pertinent, et prendra dans un premier temps l’exemple de l’exosquelette silicique de diatomées comme métaphore de « catalyseurs modernes et efficaces ». Après cette introduction, par extrapolation d’une démarche bio-inspirée [N 4 820] qui peut parfois nous induire en erreur dans nos schémas de pensées de structuration-texturation de la matière divisée, nous montrerons qu’une approche « systémique » par chimie intégrative [RE 105] [RE 173] au-delà de se poser les bonnes questions (ou comme nous le verrons « la bonne question »), permet de concevoir des catalyseurs monolithiques modernes à porosité multiéchelle ouvrant la perspective d’une catalyse de contact avancée, que ce soit en phase gazeuse ou en phase liquide. Ainsi, nous décrirons quelques exemples non exhaustifs d’applications en catalyse de contact à vocation environnementale, comme les photoconversions « en volume » du CO2 ou de COV (composés organiques volatils) anthropiques, les oxydations thermoactivées du CO en CO2 sans métaux nobles, ou bien encore les réactions d’acylation et d’alkylation de Friedel-Crafts sans utilisation de superacides moléculaires et sans co-solvant. Enfin, après avoir signifié les axes d’amélioration en termes de procédés, nous énoncerons les avantages intrinsèques de ces catalyseurs modernes par rapport aux catalyseurs plus traditionnels.
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MOTS-CLÉS
environnement procédé sol-gel Dépollution Catalyse de contact Chimie intégrative Emulsions Matériaux poreux multiéchelles
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3. Avantages, conclusions et perspectives
Si le frustule de Diatomée reste du fait de ses modes de construction et de fonctionnement l’archétype du « catalyseur parfait », l’utilisation sociétale de catalyseurs conventionnels en est aujourd’hui assez divergente. Divergente car la nature a pris le temps et, dans cet espace-temps, la faible cinétique propre à une diffusion de Fick n’est pas une contrainte… bien au contraire ! En effet, la nature est capable de mettre au point des réactions en systèmes ouverts gouvernées non pas par la « thermodynamique » mais par la « cinétique », comme le sont les réactions oscillantes qui aboutissent, dans certains cas, aux fameuses textures de Turing.
En revenant au sujet d’intérêt « la catalyse de contact », dans nos sociétés industrielles si nous « catalysons », c’est indubitablement pour gagner du temps (et/ou de l’argent) et atteindre l’équilibre thermodynamique naturel (ζ eq) d’une réaction équilibrée plus rapidement. Or, nous utilisons pour le moment essentiellement des catalyseurs micro-mésoporeux en poudre, mais sans avoir les compétences ou le « savoir-faire », l’espace-temps et la patience de systèmes propres au monde du vivant ! Si les matériaux de grandes aires spécifiques sont d’importance pour une catalyse de contact, il faut donc en modérer le propos (et donc l’impact effectif actuel) en y associant la nécessité d’une accessibilité des sites actifs. En effet, rien ne sert d’avoir des matériaux de surface spécifique de plus de 1 000 m2.g−1 si la pression de Laplace prend justement « toute la place », sous un encombrement stérique des sites actifs omniprésent ! Même après activation sous vide (pour rompre la pression de Laplace), la diffusion de Fick, l’encombrement stérique et l’accessibilité de sites actifs confinés au sein d’espaces micro-mésoporeux demeurent des contraintes majeures à un acte catalytique « efficace ». Si confiner des sites actifs au sein d’espaces micro-mésoporeux est une curiosité scientifique louable, cette démarche ne paraît pas forcément optimale en termes d’efficacité catalytique. Concernant les MUB, nous voyons qu’un mode de construction de matériaux poreux par chimie intégrative offre des solutions réalistes et opérationnelles et permet la mise au point de catalyseurs modernes et efficaces....
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Avantages, conclusions et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LIVAGE (J.) - Chimie douce : from shake-and-bake processing to wet chemistry. - New Journal of Chemistry, 1 (2001).
-
(2) - SANCHEZ (C.) et al - Biomimetism and bioinspiration as tools for the design of innovative materials and systems. - Nature Materials, 4 (2005).
-
(3) - BRECHET (Y.) - La Science des matériaux : du matériau de rencontre au matériau sur mesure. - Leçon inaugurale du Pr. Yves Bréchet au Collège de France (2013).
-
(4) - SANCHEZ (C.) - Chimie de matériaux hybrides. - Cours du Collège de France. DOI : 10.4000/annuaire-cdf.11897 (2015).
-
(5) - BACKOV (R.) - Combining soft matter and soft chemistry : “Integrative Chemistry” toward designing novel and complex architectures. - Soft Matter, 2, p. 452 (2006).
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe de silice poreux comprenant des nanoparticules d’oxyde de titane, ledit matériau et ses applications
E. Layan, I. Ly, T. Toupance, T. Pigot, M. Le Bechec, R. Backov.
Brevet français 2021, n° de dépôt FR21-13537. PCT/EP2022-085833.
Métallo-oxydes nanoparticulaires monolithiques à porosité multi-échelles.
I. Ly, R. Backov.
Brevet français 2020, n° de dépôt FR20-58457. Extension internationale 2021 : PCT/FR2021/EP075529.
Procédé de captation et de décontamination d’un milieu gazeux en présence d’un de monolithe comprenant du TiO2 et de la silice.
S. Bernadet, A. Fécant, S. Ravaine, M. Le Bechec, S. Lacombe, R. Backov.
Brevet français 2018, n° de dépôt FR18-53644.
Procédé de captation et de décontamination photocatalytique mettant en œuvre un photocatalyseur sous forme de monolithe poreux à base de silice et de dioxyde de titane.
S. Bernadet, A. Fécant, S. Ravaine, S. Lacombe, M. Le Bechec, R. Backov.
Brevet français 2018, n° de dépôt FR18-63738.
Monolithes poreux contenant du TiO2 et son procédé de préparation.
S. Bernadet, A. Fécant, S. Ravaine, D. Uzio, R. Backov.
Brevet français 2017, n° de dépôt FR17-53757. Extension internationale 2018 : PCT/FR2018/EP060376.
Procédé de préparation d'un monolithe à porosité multimodale.
S. Bernadet, A. Fécant, S. Ravaine, D. Uzio, R. Backov.
Brevet français 2017, n° de dépôt FR17-53759. Extension internationale 2018 : PCT/FR2018/EP060380.
Procédé de préparation de matériaux monolithiques alvéolaires et utilisations de ces matériaux.
V. Schmitt, M. Destribats, R. Backov.
Brevet français 2010, n° de dépôt FR10-58247. Extension internationale 2011 : PCT/FR11/052359.
Monolithes...
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