EP2651552A1 - Support céramique catalytique présentant une microstructure contrôlée - Google Patents

Support céramique catalytique présentant une microstructure contrôlée

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EP2651552A1
EP2651552A1 EP11817324.4A EP11817324A EP2651552A1 EP 2651552 A1 EP2651552 A1 EP 2651552A1 EP 11817324 A EP11817324 A EP 11817324A EP 2651552 A1 EP2651552 A1 EP 2651552A1
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EP
European Patent Office
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ceramic support
equal
support according
substrate
crystallites
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Withdrawn
Application number
EP11817324.4A
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German (de)
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Pascal Del-Gallo
Thierry Chartier
Claire Bonhomme
Raphael Faure
Fabrice Rossignol
Sébastien GOUDALLE
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Air Liquide SA
Universite de Limoges
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Air Liquide SA
Universite de Limoges
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a catalytic ceramic support having a controlled microstructure and its method of synthesis.
  • Heterogeneous catalysis is indispensable for many applications in the chemical, food, pharmaceutical, automotive and petrochemical industries [1 -3].
  • the development of a catalytic support with controlled architecture is part of the search for stable materials with a maximum specific surface at both low and high temperatures.
  • a catalyst is a material that converts reagents into product through repeated and uninterrupted cycles of elemental phases. The catalyst participates in the conversion by returning to its original state at the end of each cycle throughout its lifetime.
  • the set of elementary steps are:
  • the number of molecules converted into product in a defined time interval is directly related to the number of available catalytic sites. It is therefore necessary to increase as much as possible the number of available active sites per unit area. To do this, it is necessary to maximize the dispersion of the active particles on the surface of the support. In a way to To maximize this dispersion, it is necessary to propose a support having itself a maximum specific surface.
  • the active species can be a transition metal (s) (Fe, Co, Cu, Ni, Ag, Mo, Cr, NiCo, FeNi, FeCr ...) or a metal oxide (s). Transition (CuO, ZnO, NiO, CoO, NiMoO, CuO-ZnO, FeCrO, ...), a noble metal (s) (Pt, Pd, Rh, PtRh, PdPt, ... ) or a transition metal oxide (s) (Rh 2 O 3 , PtO, RhPtO, ...) or mixtures of transition and noble metals or mixtures of transition oxides and noble metals. In certain reactions, the active species may be sulfur compounds (NiS, CoMoS, NiMoS, etc.).
  • the ideal is to disperse nanometric active phases ( ⁇ 5 nm) on the surface of a ceramic support in general.
  • phase change is usually accompanied by a destructuration.
  • the specific surface area of a ⁇ -alumina can be up to several hundred m 2 / g while a standard alumina has a specific surface area of less than about 10 m 2 / g.
  • Silica is the first mesoporous material to have been synthesized in 1992.
  • US2003 / 0039744A1 discloses from the method of self-assembly induced by evaporation how to obtain a mesoporous silica support.
  • CN101565194 discloses a process for producing mesoporous MgAl 2 O 4 spinel.
  • the spinel MgAl 2 O 4 thus obtained is composed of particles of 100 nm in diameter with a specific surface area of between 200 and 400 m 2 / g, the pore diameter is between 3 and 6 nm.
  • a solution of the invention is a catalytic ceramic support comprising an arrangement of crystallites of the same size, same isodiametric morphology and same chemical composition or substantially of the same size, same isodiametric morphology and same chemical composition in which each crystallite is in point contact or almost punctual with crystallites that surround it.
  • crystallite means, in the context of the present invention, a domain of material having the same structure as a single crystal.
  • the present invention relates to the stabilization of the catalytic ceramic support used as a phase support (s) active (s) via the creation of a microstructure consisting of an ordered and structured system to allow the minimization of aging phenomena related mainly to temperature and associated gaseous atmospheres.
  • the catalytic ceramic support of the invention has the first advantage of developing a large available surface area, typically greater than or equal to 50 m 2 / g and up to several hundred m 2 / g. Moreover, it is stable in terms of specific surface area at least up to 1000 ° C. under a hydrothermal atmosphere.
  • FIG. 1 a schematically represents a catalytic support according to the state of the art. It is more precisely a mesoporous structure.
  • FIG. 1 b schematically represents a catalytic support according to the invention.
  • each crystallite is in contact with 6 other crystallites in a plane (ie compact stack).
  • the pore size resulting from the arrangement of the catalytic support according to the invention is typically between 5 and 15 nm.
  • the catalytic ceramic support according to the invention may have one or more of the following characteristics:
  • the crystallite arrangement is a hexagonal compact or cubic face-centered stack in which each crystallite is in point or almost point contact with at most 12 other crystallites in a 3-dimensional space;
  • spinel phase is meant for example the compound MgAl 2 0 4 ;
  • the crystallites are of substantially spherical shape
  • the crystallites have a mean equivalent diameter of between 5 and 15 nm, preferably between 11 and 14 nm; equivalent diameter means the greatest length of the crystallite if it is not strictly spherical;
  • said support comprises a substrate and a film on the surface of said substrate comprising said crystallite arrangement
  • said support comprises granules comprising said arrangement of crystallites
  • the granules are of substantially spherical shape.
  • the catalytic ceramic support according to the invention is usable for any reaction in heterogeneous catalysis, particularly gas-solid and can be deposited (washcoated) on a ceramic and / or metal substrate of various architectures such as honeycomb structures, barrels , monoliths, honeycomb structures, spheres, multi-scale structured reactors-reactors (reactors), ... of a ceramic or metallic or metallic nature coated with ceramic (monolith, honeycomb, sphere, rod , powder, ...)
  • the present invention also relates to a first method of synthesizing a catalytic ceramic support comprising a substrate and a film on the surface of said substrate comprising an arrangement of crista ll ites same ta il the same isodiametric morphology and same chemical composition or of substantially the same size, same isodiametric morphology and same chemical composition in which each crystallite is in point or almost one-off contact with surrounding crystallites, in which the following steps are carried out: a) Preparation of a sol comprising aluminum and magnesium nitrate salts, a surfactant and the solvents water, ethanol and ammonia;
  • step c) calcining the gelled composite material of step c) at a temperature greater than 700 ° C. and less than or equal to 1100 ° C., preferably greater than or equal to 800 ° C., more particularly less than or equal to 1000 ° C., still more preferably at a temperature greater than or equal to 850 ° C and less than or equal to 950 ° C.
  • the substrate used in this first synthesis process is dense alumina.
  • the present invention also relates to a second method for synthesizing a catalytic ceramic support comprising granules comprising an arrangement of crystallites of the same size, same isodiametric morphology and same chemical composition or substantially of the same size, same isodiametric morphology and same chemical composition wherein each crystallite is in point or near-point contact with crystallites surrounding it, wherein the following steps are carried out: e) Preparation of a sol comprising aluminum and magnesium nitrate salts, a surfactant and the water, ethanol and ammonia solvents;
  • the soil prepared in step a) is aged in a ventilated oven at a temperature between 15 and 35 ° C.
  • calcination step d) is carried out under air and has a duration of 24 hours.
  • the soil prepared in the two synthetic processes according to the invention preferably comprises four main constituents:
  • Inorganic precursors for reasons of cost limitation, we chose to use magnesium and aluminum nitrates. The stoichiometry of these nitrates can be verified by Induced Coupled Plasma (ICP), before their solubilization in osmosis water.
  • ICP Induced Coupled Plasma
  • the surfactant otherwise called surfactant is preferably a nonionic surfactant. It is possible to use a Pluronic F127 triblock copolymer of the EO-PO-EO type. It has two hydrophilic blocks (EO) and a hydrophobic central block (PO).
  • the surfactant is solubilized in an ammoniacal solution which makes it possible to create hydrogen bonds between the hydrophilic blocks and the inorganic species.
  • the first step is to solubilize the surfactant (0.9g) in absolute ethanol (23 mL) and in an ammoniacal solution (4.5 mL). The mixture is then refluxed for 1 hour. Then, the nitrate solution previously prepared (20 mL) is added dropwise to the mixture. The whole is refluxed for 1 h and then cooled to room temperature. The soil thus synthesized is aged in a ventilated oven whose ambient temperature (20 ° C) is precisely controlled.
  • soaking consists in immersing a substrate in the soil and removing it at a constant speed.
  • the movement of the substrate causes the liquid forming a surface layer.
  • This layer divides in two, the inner part moves with the substrate while the outer part falls into the container.
  • the progressive evaporation of the solvent leads to the formation of a film on the surface of the substrate.
  • the quenched substrates are then baked at between 30 ° C and 70 ° C for a few hours. A gel is then formed. Calcination of substrates under air eliminates nitrates but also decomposes the surfactant and thus release porosity.
  • the atomization technique makes it possible to transform a sol into a solid dry form (powder) by the use of a hot intermediate (FIG. 3).
  • the principle is based on spraying fine droplets of soil 3, in a chamber 4 in contact with a stream of hot air 2 in order to evaporate the solvent.
  • the powder obtained is entrained by the heat flow 5 to a cyclone 6 which will separate the air 7 from the powder 8.
  • the apparatus that can be used in the context of the present invention is a reference commercial model "190 Mini Spray Dryer” brand Buchi.
  • the powder recovered after the atomization is dried in an oven at 70 ° C and then calcined.
  • the precursors i.e. the magnesium and aluminum nitrate salts
  • Equation 2 Evaporation of the solvents (ethanol and water) allows the gel solids to cross-link around the surfactant micelles by forming bonds between the hydroxyl group of one salt and the metal of another salt (Equations 3 and 4). .
  • Equation 2 (V ⁇ HO-) + N0 3 Equation 3:
  • the surfactants used are copolymers which have two parts of different polarities: a hydrophobic body and hydrophilic ends. These copolymers are part of the family of block copolymers consisting of poly (alkylene oxide) chains.
  • An example is the copolymer (EO) n- (PO) m- (EO) n, constituted by the chain of polyethylene oxide (EO), hydrophilic at the ends and in its central part propylene oxide (PO), hydrophobic.
  • the polymer chains remain dispersed in solution at a concentration below the critical micelle concentration (CMC). CMC is defined as the limiting concentration beyond which the phenomenon of self-arrangement of surfactant molecules in the solution occurs.
  • the chains of the surfactant tend to be grouped by hydrophilic / hydrophobic affinity.
  • the hydrophobic bodies are grouped together and form spherical micelles.
  • the ends of the polymer chains are pushed outwardly of the micelles, and associate during the evaporation of the volatile solvent (ethanol) with the ionic species in solution which also have hydrophilic affinities.
  • the substrate coated with a thin film was calcined under air at 500 ° C for 4h, with a temperature rise rate of 1 ° C / min.
  • the sample is observed using a high-resolution scanning electron microscope (SEM-FEG) and an Atomic Force Microscope (AFM).
  • SEM-FEG high-resolution scanning electron microscope
  • AFM Atomic Force Microscope
  • the Atomic Force microscope allows to account for the surface topography of a sample with an ideally atomic resolution.
  • the principle consists in sweeping the surface of the sample with a tip whose end is of atomic dimension, while measuring the interaction forces the tip tip and the surface. By keeping the interaction constant, it is possible to measure the topography of the sample.
  • FIG. 4 The AFM images made on a surface of 500 nm 2 (FIG. 4) as well as the SEM-FEG micrographs (FIG. 5) reveal the formation of a mesostructured deposit at this calcination temperature.
  • Figure 4a) is a topography image while Figure 4b is an auto-correlation image.
  • the mesostructuration of the material is due to a progressive concentration within the deposition of the aluminum and magnesium precursors, as well as the surfactant, to a micellar concentration greater than the critical concentration, which results from the evaporation of the solvents.
  • FIG. 8 corresponds to 3 SEM-FEG micrographs of the catalytic support with 3 different magnifications.
  • D is the size of the crystallites (nm)
  • ⁇ is the wavelength of the Cu Ka line (1.5406 ⁇ )
  • ⁇ corresponds to the width at mid-height of the line (in rad)
  • ⁇ corresponds to the diffraction angle
  • the microstructure of this powder is identical to that obtained on the deposit, namely an ultra-divided and porous microstructure with a crystallite size of the same order of magnitude.
  • the specific surface area of the powder measured by the BET method, is 50 m 2 / g.
  • the morphology of the powder was compared with that of a spinel phase powder of the trade name Puralox MG30, supplied by Sasol (FIG. 11). This powder has a specific surface area of 30 m 2 / g.
  • the particles of the commercial powder are not spherical and their particle size distribution is wide, which will potentially promote a magnification of the particles during aging under hydrothermal conditions.
  • Catalytic ceramic supports, according to the invention obtained by dipping the soil on a substrate, in other words comprising a substrate and a film, as well as the catalytic ceramic supports, according to the invention, obtained by atomization of the soil, in other words comprising granules, were aged under hydrothermal conditions, namely a temperature of 900 ° C for 100h under an atmosphere rich in water vapor and nitrogen (the molar ratio of steam to nitrogen is 3).
  • the specific surface of the aged powder is 41 m 2 / g, thus showing a very low abatement of the specific surface area.

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Abstract

Support céramique catalytique comprenant un arrangement de cristallites de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique ou sensiblement de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique dans lequel chaque cristallite est en contact ponctuel ou quasiment ponctuel avec des cristallites qui l'entourent.

Description

Support céramique catalytique présentant une microstructure contrôlée
La présente invention concerne un support céramique catalytique présentant une microstructure contrôlée et son procédé de synthèse.
La catalyse hétérogène est indispensable à de nombreuses applications dans les industries chimiques, alimentaires, pharmaceutiques, automobiles et pétrochimiques [1 -3]. Le développement d'un support catalytique à architecture contrôlée s'inscrit dans la recherche de matériaux stables possédant une surface spécifique maximale aussi bien aux basses qu'aux hautes températures.
Un catalyseur est un matériau qui convertit des réactifs en produit à travers des cycles répétés et ininterrompus de phases élémentaires. Le catalyseur participe à la conversion en retournant à son état d'origine à la fin de chaque cycle durant toute sa durée d e vi e . U n cata lyseu r m od ifi e l a ci n éti q u e d e réa cti o n sa n s en ch a n g er l a thermodynamique.
Afin de maximiser le taux de conversion de catalyseurs supportés, il est essentiel de maximiser l'accessibilité des réactifs aux particules actives. Dans le but de comprendre l'intérêt d'un support tel que celui développé ici, rappelons tout d'abord les étapes principales d'une réaction de catalyse hétérogène. Un gaz composé de molécules A traverse un lit catalytique, réagit en surface du catalyseur pour former un gaz d'espèce B.
L'ensemble des étapes élémentaires sont :
a) Transport du réactif A (diffusion en volume), à travers une couche de gaz, jusqu'à la surface externe du catalyseur
b) Diffusion de l'espèce A (diffusion en volume ou moléculaire (Knudsen)), à travers le réseau poreux du catalyseur, jusqu'à la surface catalytique
c) Adsorption de l'espèce A sur la surface catalytique
d) Réaction de A pour former B sur les sites catalytiques présents sur la surface du catalyseur
e) Désorption du produit B de la surface
f) Diffusion de l'espèce B à travers le réseau poreux.
g) Transport du produit B (diffusion en volume) de la surface externe du catalyseur, à travers la couche de gaz, jusqu'au flux de gaz.
Le nombre de molécules converties en produit dans un intervalle de temps défini est directement lié aux nombres de sites catalytiques disponibles. Il faut donc augmenter au maximum le nombre de sites actifs disponibles par unité de surface. Pour ce faire, il faut maximiser la dispersion des particules actives à la surface du support. De manière à maximiser cette dispersion, il est nécessaire de proposer un support ayant lui-même une surface spécifique maximale.
Les espèces actives peuvent être un (des) métal(aux) de transition (Fe, Co, Cu, Ni, Ag, Mo, Cr, NiCo, FeNi, FeCr...) ou un (des) oxyde(s) de métaux de transition (CuO, ZnO, NiO, CoO, NiMoO, CuO-ZnO, FeCrO, ...), un (des) métal(aux) noble(s) (Pt, Pd, Rh, PtRh, PdPt, ...) ou un (des) oxyde(s) de métal(aux) de transition (Rh203, PtO, RhPtO, ...) ou des mélanges de métaux de transition et de métaux nobles ou des mélanges d'oxydes de transition et de métaux nobles. Dans certaines réactions les espèces actives peuvent être des composés soufrés (NiS, CoMoS, NiMoS, ...). L'idéal est de disperser des phases actives nanométriques (<5nm) sur la surface d'un support céramique en général. Plus petite sera la particule catalytique, plus grand sera son rapport surface sur volume et ainsi plus grande sera sa surface développée par unité de masse (pour les phases actives on parle de SMA : Metallic Surface Area exprimée en surface par unité de masse tel que m2/g de métal par exemple ; pour les supports céramiques catalytiques on parle de surface BET et/ou de volume poreux).
Par définition, une surface tendra toujours à minimiser son énergie. Les deux principales barrières au développement de supports à fortes surfaces spécifiques sont :
- Le frittage, phénomène naturel apparaissant en température ; et
- Le changement de phase cristalline : un changement de phase s'accompagne le plus souvent d'une déstructuration.
Ces deux phénomènes sont liés l'un à l'autre et se traduisent par une diminution de la surface spécifique du matériau considéré. On prendra l'exemple de la transformation de l'alumine γ en alumine a se produisant spontanément au dessus de 1 100°C sous air. La surface spécifique d'une alumine γ peut aller jusqu'à plusieurs centaines de m2/g alors qu'une alumine a standard a une surface spécifique inférieure à la dizaine de m2/g.
Plusieurs supports à forte surface spécifique ont déjà été synthétisés.
La silice est le premier matériau mésoporeux à avoir été synthétisé en 1992. Le document US2003/0039744A1 expose à partir de la méthode d'auto-assemblage induit par évaporation comment obtenir un support mésoporeux de silice.
Les documents Crepaldi, E.L., et al., Nanocrystallised titania and zirconia mesoporous thin films exhibiting enhanced thermal stability. New Journal of Chemistry, 2003. 27 ( 1 ) : p . 9-13 et Wong, M. S. and J.Y. Ying, Amphiphilic Templating of Mesostructured Zirconium Oxide. Chemistry of Materials, 1998. 1 0(8): p. 2067-2077 décrivent la synthèse de zircone mésoporeuse. Comme pour la plupart des matériaux mésoporeux, la stabilité thermique n'est assurée que jusqu'à 500°C-600°C. Pour des températures supérieures, il y a effondrement des structures par frittage ou changement de phases.
Le document CN101565194 (A) décrit un procédé d'élaboration de spinelle MgAI204 mésoporeuse. Le spinelle MgAI204 ainsi obtenu est composé de particules de 100 nm de diamètre avec une surface spécifique comprise entre 200 et 400 m2/g, le diamètre des pores est compris entre 3 et 6 nm.
Cependant, ces supports céramiques proposés par l'état de la technique ne possèdent pas une bonne stabilité physico-chimique dans les conditions de fonctionnement sévères du vaporeformage du gaz naturel, en particuliers à température élevée (600-1000°C) et atmosphère très hydrothermale (% vapeur d'eau comprise entre 20 et 60%vol).
Dès lors, un problème qui se pose est de fournir un support céramique catalytique possédant u ne bon ne stabilité physico-chimique dans ces conditions sévères de fonctionnement.
Une solution de l'invention est un support céramique catalytique comprenant un arrangement de cristallites de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique ou sensiblement de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique dans lequel chaque cristallite est en contact ponctuel ou quasiment ponctuel avec des cristallites qui l'entourent.
Par cristallite, on entend, dans le cadre de la présente invention, un domaine de matière ayant la même structure qu'un monocristal.
Autrement dit, la présente invention concerne la stabilisation du support céramique catalytique utilisé en qualité de support de phase(s) active(s) via la création d'une microstructure constituée d'un système ordonné et structuré devant permettre la minimisation des phénomènes de vieillissement physique liés principalement à la température et aux atmosphères gazeuses associées.
Notons que le support céramique catalytique selon l'invention a pour premier avantage de développer une grande surface spécifique disponible, typiquement supérieure ou égale à 50 m2/g et jusqu'à plusieurs centaines de m2/g. Par ailleurs, celui-ci est stable en termes de surface spécifique au moins jusqu'à 1000°C sous atmosphère hydrothermale.
La figure 1 a) représente schématiquement un support catalytique selon l'état de la technique. Il s'agit plus précisément d'une structure mésoporeuse.
La figure 1 b) représente schématiquement un support catalytique selon l'invention. Sur cette figure chaque cristallite est en contact avec 6 autres cristallites dans un plan (i.e. empilement compact). La taille des pores résultant de l'arrangement du support catalytique selon l'invention est typiquement comprise entre 5 et 15 nm.
Selon le cas le support céramique catalytique selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- l'arrangement de cristallites est un empilement hexagonal compact ou cubique face centrée dans lequel chaque cristallite est en contact ponctuel ou quasiment ponctuel avec au plus 12 autres cristallites dans un espace en 3 dimensions ;
- ledit arrangement est en phase spinelle ; par phase spinelle on entend par exemple le composé MgAI204 ;
- les cristallites sont de forme sensiblement sphérique ;
- les cristallites ont un diamètre équivalent moyen compris entre 5 et 15 nm, de préférence entre 1 1 et 14 nm ; par diamètre équivalent on entend la plus grande longueur du cristallite si celui-ci n'est pas strictement sphérique ;
- ledit support comprend un substrat et un film à la surface dudit substrat comprenant ledit arrangement de cristallites ;
- ledit support comprend des granules comprenant ledit arrangement de cristallites ;
- les granules sont de forme sensiblement sphérique.
Outre un arrangement en phase spinelle, on peut avoir un arrangement dans les phases céramiques suivantes : SiC, Zr02, Zr02 stabilisée à l'oxyde d'ytttrium tel que YSZ (4 et 8-10%), Ce02, Ce02 stabilisé à l'oxyde de gadolinium, l'alumine classique, les silico- alumineux, ...
Notons que le support céramique catalytique selon l'invention est utilisable pour toute réaction en catalyse hétérogène, particulièrement gaz-solide et peut être déposé (washcoaté) sur un substrat céramique et/ou métallique d'architectures diverses telles que des structures alvéolaires, des barillets, des monolithes, des structures en nid d'abeille, des sphères, des réacteurs-échangeurs structurés multi échelle ^réacteurs), ... de nature céramique ou métallique ou métallique revêtu de céramique (monolithe, nid d'abeille, sphère, bâtonnet, poudre, ...)
La présente invention a également pour objet un premier procédé de synthèse d'un support céramique catalytique comprenant un substrat et un film à la surface dudit substrat comprenant un arrangement de crista ll ites de même ta il le, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique ou sensiblement de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique dans lequel chaque cristallite est en contact ponctuel ou quasiment ponctuel avec des cristallites qui l'entourent, dans lequel on réalise les étapes suivantes : a) Préparation d'un sol comprenant des sels de nitrate d'aluminium et de magnésium, un surfactant et les solvants eau, éthanol et ammoniac ;
b) Trempage d'un substrat dans le sol préparé à l'étape a) ;
c) Séchage du substrat imprégné de sol de manière à obtenir un matériau composite gélifié comprenant un substrat et une matrice gélifiée ; et
d) Calcination du matériau composite gélifié de l'étape c) à une température supérieure à 700°C et inférieure ou égale à 1 100°C de préférence supérieure ou égale à 800°C, plus particulièrement inférieure ou égale à 1000°C, encore plus préférentiellement à une température supérieure ou égale à 850°C et inférieure ou égale à 950°C.
De préférence le substrat mis en œuvre dans ce premier procédé de synthèse est en alumine dense.
La présente invention a également pour objet un second procédé de synthèse d'un support céramique catalytique comprenant des granules comprenant un arrangement de cristallites de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique ou sensiblement de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique dans lequel chaque cristallite est en contact ponctuel ou quasiment ponctuel avec des cristallites qui l'entourent, dans lequel on réalise les étapes suivantes : e) Préparation d'un sol comprenant des sels de nitrate d'aluminium et de magnésium, un surfactant et les solvants eau, éthanol et ammoniac;
f) Atomisation du sol au contact d'un courant d'air chaud de manière à évaporer le solvant et former une poudre micronique;
g) Calcination de la poudre à une température comprise supérieure à 700°C et inférieure ou égale à 1 100°C de préférence supérieure ou égale à 800°C, lus particulièrement inférieure ou égale à 1000°C, encore plus préférentiellement à une température supérieure ou égale à 850°C et inférieure ou égale à 950°C.
Les deux procédés de synthèse selon l'invention peuvent présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous :
- le sol préparé à l'étape a) est vieilli dans une étuve ventilée à température comprise entre 15 et 35°C.
- l'étape d) de calcination est réalisée sous air et a une durée de 24h..
Le sol préparé dans les deux procédés de synthèse selon l'invention comprend de préférence quatre principaux constituants :
- Les précurseurs inorganiques : pour des raisons de limitation du coût, nous avons choisi d'utiliser des nitrates de magnésium et d'aluminium. La stœchiométrie de ces nitrates peut être vérifiée par ICP (Induced Coupled Plasma), avant leur solubilisation dans de l'eau osmosée. - Le surfactant autrement appelé tensioactif est de préférence un tensioactif non ionique. On peut utiliser un copolymère tribloc Pluronic F127 de type EO-PO-EO. Il possède deux blocs hydrophiles (EO) et un bloc central hydrophobe (PO).
- Le solvant (éthanol absolu).
- NH3.H20 (28% massique). Le surfactant est solubilisé dans une solution ammoniacale ce qui permet de créer des liaisons hydrogène entre les blocs hydrophiles et les espèces inorganiques.
Un exemple de rapports molaires entre ces différents constituants est donné dans le tableau ci-dessous (Tableau 1 ) :
Le procédé de préparation du sol est décrit à la figure 2.
Dans le paragraphe qui suit les quantités entre-parenthèses correspondent à un seul exemple.
La première étape consiste à solubiliser le surfactant (0,9g) dans de l'éthanol absolu (23 mL) et dans une solution ammoniacale (4,5 mL). Le mélange est ensuite chauffé à reflux pendant 1 h. Puis, la solution de nitrates préalablement préparée (20 mL) est ajoutée goutte à goutte au mélange. Le tout est chauffé à reflux pendant 1 h puis refroidi jusqu'à la température ambiante. Le sol ainsi synthétisé est vieilli dans une étuve ventilée dont la température ambiante (20°C) est contrôlée précisément.
Dans le cas du premier procédé de synthèse, le trempage consiste à plonger un substrat dans le sol et à le retirer à vitesse constante. Les substrats utilisés dans le cadre de notre étude sont des plaques en alumine frittées à 1700°C pendant 1 h30 sous air (densité relative des substrats = 97% par rapport à la densité théorique).
Lors du retirage du substrat, le mouvement du substrat entraîne le liquide formant une couche de surface. Cette couche se divise en deux, la partie interne se déplace avec le substrat alors que la partie externe retombe dans le récipient. L'évaporation progressive du solvant conduit à la formation d'un film à la surface du substrat.
Il est possible d'estimer l'épaisseur du dépôt obtenu en fonction de la viscosité du sol et de la vitesse de tirage (Equation 1 ) :
e∞ K v2/3 avec κ constante de dépôt dépendante de la viscosité et de la densité du sol et de la tension de surface liquide-vapeur, v est la vitesse de tirage.
Ainsi, plus la vitesse de tirage est élevée, plus l'épaisseur du dépôt est importante.
Les substrats trempés sont ensuite étuvés à entre 30°C et 70°C pendant quelques heures. Un gel est alors formé. Une calcination des substrats sous air permet d'éliminer les nitrates mais aussi de décomposer le surfactant et ainsi de libérer la porosité.
Dans le cas du second procédé de synthèse, la technique d'atomisation permet de transformer un sol en forme sèche solide (poudre) par l'utilisation d'un intermédiaire chaud (Figure 3).
Le principe repose sur la pulvérisation en fines gouttelettes du sol 3, dans une enceinte 4 au contact d'un courant d'air chaud 2 afin d'évaporer le solvant. La poudre obtenue est entraînée par le flux de chaleur 5 jusqu'à un cyclone 6 qui va séparer l'air 7 de la poudre 8.
L'appareil pouvant être utilisé dans le cadre de la présente invention est un modèle commercial de référence « 190 Mini Spray Dryer » de marque Buchi.
La poudre récupérée à l'issue de l'atomisation est séchée dans une étuve à 70°C puis calcinée.
Aussi, dans les deux procédés, les précurseurs, c'est-à-dire les sels de nitrates de magnésium et d'aluminium, sont partiellement hydrolysés (Equation 2). Puis l'évaporation des solvants (éthanol et eau) permet la réticulation du sol en gel autour des micelles de surfactant par la formation de liaisons entre le groupement hydroxyles d'un sel et le métal d'un autre sel (Equations 3 et 4). "
Equation 2 : ( V ^HO-) + N03 Equation 3 :
Equation 4
Le contrôle de ces réactions liées aux interactions électrostatiques entre les précurseurs inorganiques et les molécules de surfactant permet un assemblage coopératif des phases organique et inorganique, ce qui génère des agrégats micellaires de surfactants de taille contrôlée au sein d'une matrice inorganique.
En effet, les surfactants utilisés, non ioniques, sont des copolymères qui possèdent deux parties de polarités différentes : un corps hydrophobe et des extrémités hydrophiles. Ces copolymères font parti de la famille des copolymères blocs constitués de chaînes de poly(oxyde)d'alkylène. Un exemple est le copolymère (EO)n-(PO)m-(EO)n, constitué par l'enchaînement de polyoxyde d'éthylène (EO), hydrophile aux extrémités et dans sa partie centrale le polyoxyde de propylène (PO), hydrophobe. Les chaînes de polymères restent dispersées en solution pour une concentration inférieure à la concentration micellaire critique (CMC). La CMC est définie comme étant la concentration limite au delà de laquelle se produit le phénomène d'auto-arrangement des molécules de surfactant dans la solution. Au delà de cette concentration, les chaînes du surfactant ont tendance à se regrouper par affinité hydrophiles/hydrophobes. Ainsi, les corps hydrophobes se regroupent et forment des micelles de forme sphérique. Les extrémités des chaînes des polymères sont repoussées vers l'extérieur des micelles, et s'associent au cours de l'évaporation du solvant volatile (éthanol) avec les espèces ioniques en solution qui présentent également des affinités hydrophiles.
Ce phénomène d'auto-arrangement se produit lors des étapes c) de séchage des procédés de synthèse selon l'invention.
Voyons à présent les avantages d'une calcination à une température comprise entre 500°C et 1000°C.
Dans un premier temps, le substrat recouvert d'un film mince a été calciné sous air à 500°C pendant 4h, avec une vitesse de montée en température de 1 °C/min.
L'échantillon est observé à l'aide d'un microscope électronique à balayage haute résolution (MEB-FEG) et d'un microscope à Force Atomique (AFM). Le microscope à Force Atomique permet de rendre compte de la topographie de surface d'un échantillon avec une résolution idéalement atomique. Le principe consiste à balayer la surface de l'échantillon avec une pointe dont l'extrémité est de dimension atomique, tout en mesurant les forces d'interaction l'extrémité de la pointe et la surface. A force d'interaction maintenue constante, il est possible de mesurer la topographie de l'échantillon.
Les images AFM réalisées sur une surface de 500nm2 (Figure 4) ainsi que les micrographies MEB-FEG (Figure 5) révèlent la formation d'un dépôt mésostructuré à cette température de calcination. La figure 4a) est une image de topographie tandis que la figure 4b) est une image d'auto-corrélation.
La mésostructuration du matériau est consécutive à une concentration progressive, au sein du dépôt, des précurseurs d'aluminium et de magnésium, ainsi que du surfactant jusqu'à une concentration micellaire supérieure à la concentration critique, qui résulte de l'évaporation des solvants.
En revanche, à cette température de calcination (500°C-4h), la phase spinelle n'est pas complètement formée et le composé est amorphe (Figure 6). Le diffractogramme a été réalisé sur de la poudre obtenue par atomisation du sol.
C'est pourquoi, nous avons choisi d'augmenter la température de calcination des matériaux à 900°C.
A cette température, la phase spinelle (MgAI204) est parfaitement cristallisée (Figure 7).
La calcination à 900°C détruit la mésostructuration du dépôt qui était présente à 500°C. La cristallisation de la phase spinelle entraîne une désorganisation locale de la porosité. Il en résulte néanmoins un support céramique catalytique selon l'invention, autrement dit un dépôt ultra-divisé et très poreux avec des particules quasi sphériques en contact ponctuel ou quasiment ponctuel, les unes avec les autres (Figure 8). La figure 8 correspond à 3 micrographies MEB-FEG du support catalytique avec 3 grossissements différents.
Ces particules affichent une distribution granulométrique très resserrée centrée sur
12 nm (taille moyenne des cristallites de spinelle mesurée par diffraction des RX aux petits angles, Figure 9). Cette taille correspond à celle des particules élémentaires observées en microscopie électronique à balayage indiquant que les particules élémentaires sont monocristallines.
Diffraction des Rayons X aux petits angles (valeurs de l'angle 2Θ comprises entre
0,5 et 6°) : cette technique nous a permis de déterminer la taille des cristallites du support de catalyseur. Le diffractomètre utilisé dans cette étude, basé sur une géométrie Debye- Scherrer, est équipé d'un détecteur courbe à localisation (Inel CPS 120) au centre duquel est positionné l'échantillon. Ce dernier est un substrat en saphir monocristallin sur lequel a été déposé par trempage-tirage le sol. La formule de Scherrer permet de relier la largeur à mi-hauteur des pics de diffraction à la taille des cristallites (Equation 5).
D correspond à la taille des cristallites (nm)
λ est la longueur d'onde de la raie Ka du Cu (1 ,5406 Â)
β correspond à la largeur à mi-hauteur de la raie (en rad)
Θ correspond à l'angle de diffraction.
L'atomisation du sol, suivie d'une calcination de la poudre à 900°C, produit des granules sphériques de diamètre inférieur à 5μηι et de préférence dans une gamme comprise entre 100nm et 2μηι (Figure 10). La microstructure de cette poudre est identique à celle obtenue sur le dépôt, à savoir une microstructure ultra-divisée et poreuse avec une taille de cristallites du même ordre de grandeur.
La surface spécifique de la poudre, mesurée par la méthode BET, est de 50 m2/g.
La morphologie de la poudre a été comparée avec celle d'une poudre de phase spinelle de nom commercial Puralox MG30, fournie par Sasol (Figure 1 1 ). Cette poudre présente une surface spécifique de 30 m2/g.
Les particules de la poudre commerciale ne sont pas sphériques et leur distribution granulométrique est large, ce qui favorisera potentiellement un grossissement des particules lors du vieillissement sous conditions hydrothermales.
Les supports céramiques catalytiques, selon l'invention, obtenus par trempage du sol sur un substrat, autrement dit comprenant un substrat et un film, ainsi que les supports céramiques catalytiques, selon l'invention, obtenues par atomisation du sol, autrement dit comprenant des granules, ont été vieillis sous conditions hydrothermales, à savoir une température de 900°C pendant 100h sous une atmosphère riche en vapeur d'eau et azote (le rapport molaire vapeur d'eau sur azote est de 3).
La microstructure ultra-divisée des dépôts calcinés à 900°C évolue peu au cours du vieillissement hydrothermal (Figure 12). La très grande homogénéité de taille, de morphologie et de composition chimique ainsi que l'ultra-division (i.e. nombre limité de contacts entre particules) limitent considérablement les gradients locaux de potentiel chimique qui constituent la force motrice de la migration des espèces responsable du frittage. La conservation de la taille des particules a été confirmée par les résultats de d iffraction des RX aux petits angles (Figure 13). En effet, la taille des particules monocristallines élémentaires mesurée par cette technique est de 14nm après vieillissement (courbe grise). Elle était de 12nm avant vieillissement (courbe noire).
La surface spécifique de la poudre vieillie est de 41 m2/g montrant ainsi un très faible abattement de la surface spécifique.

Claims

Revendications
1 . Support céramique catalytique comprenant un arrangement de cristallites de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique ou sensiblement de même taille, même morphologie isodiamétrique et même composition chimique dans lequel chaque cristallite est en contact ponctuel ou quasiment ponctuel avec des cristallites qui l'entourent.
2. Support céramique catalytique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'arrangement de cristallites est un empilement hexagonal compact ou cubique face centrée dans lequel chaque cristallite est en contact ponctuel ou quasiment ponctuel avec au plus 12 autres cristallites dans un espace à 3 dimensions.
3. Support céramique catalytique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit arrangement est en phase spinelle.
4. Support céramique catalytique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cristallites sont de forme sensiblement sphérique.
5. Support céramique catalytique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cristallites ont un diamètre équivalent moyen compris entre 5 et 15 nm, de préférence entre 1 1 et 14 nm.
6. Support céramique catalytique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit support comprend un substrat et un film à la surface dudit substrat comprenant ledit arrangement de cristallites.
7. Support céramique catalytique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit support comprend des granules comprenant ledit arrangement de cristallites.
8. Support céramique catalytique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les granules sont de forme sensiblement sphérique.
9. Procédé de synthèse d'un support céramique catalytique selon la revendication 6, comprenant les étapes suivantes : a) Préparation d'un sol comprenant des sels de nitrate d'aluminium et de magnésium, un surfactant et les solvants eau, éthanol et ammoniac ;
b) Trempage d'un substrat dans le sol préparé à l'étape a) ;
c) Séchage du substrat imprégné de sol de manière à obtenir un matériau composite gélifié comprenant un substrat et une matrice gélifiée ; et
d) Calcination du matériau composite gélifié de l'étape c) à une température supérieure à 700°C et inférieure ou égale à 1 100°C de préférence supérieure ou égale à 800°C, plus particulièrement inférieure ou égale à 1000°C, encore plus préférentiellement à une température supérieure ou égale à 850°C et inférieure ou égale à 950°C.
10. Procédé de synthèse selon la revendication 9, caractérisé en ce que le substrat est un substrat en alumine dense.
1 1 . Procédé de synthèse d'un support céramique catalytique selon l'une des revendications 7 ou 8, comprenant les étapes suivantes :
e) Préparation d'un sol comprenant des sels de nitrate d'aluminium et de magnésium, un surfactant et les solvants eau, éthanol et ammoniac;
f) Atomisation du sol au contact d'un courant d'air chaud de manière à évaporer le solvant et former une poudre micronique;
g) Calcination de la poudre à une température comprise supérieure à 700°C et inférieure ou égale à 1 100°C de préférence supérieure ou égale à 800°C, lus particulièrement inférieure ou égale à 1000°C, encore plus préférentiellement à une température supérieure ou égale à 850°C et inférieure ou égale à 950°C.
12. Procédé de synthèse selon l'une des revendications 9 à 1 1 , caractérisé en ce que le sol préparé à l'étape a) est vieilli dans une étuve ventilée à température comprise entre 15 et 35°C.
13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que l'étape c) de calcination a une durée de 24h et est réalisée sous air.
14. Utilisation du support céramique selon l'une des revendications 1 à 8 pour une catalyse hétérogène.
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