FR2836067A1 - Compose mesostructure homogene comprenant une phase minerale d'alumine et des particules au moins partiellement cristallines d'un compose de cerium, de titane ou de zirconium, son procede de preparation et ses utilisations - Google Patents

Compose mesostructure homogene comprenant une phase minerale d'alumine et des particules au moins partiellement cristallines d'un compose de cerium, de titane ou de zirconium, son procede de preparation et ses utilisations Download PDF

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Abstract

La présente invention a pour objet un composé mésostructuré ou mésoporeux ordonné comprenant une phase minérale d'alumine, au sein de laquelle sont dispersées des particules au moins partiellement cristallines d'un composé de cérium, de titane ou de zirconium, caractérisé en ce qu'il présente une homogénéité chimique telle que les domaines d'hétérogénéité sont d'au plus 100 nm2 L'invention concerne également un procédé de préparation dudit composé mésostructuré ou mésoporeux ordonné.Les matériaux de l'invention peuvent être utilisés notamment dans le domaine de la catalyse.

Description

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COMPOSE MESOSTRUCTURE HOMOGENE COMPRENANT UNE PHASE
MINERALE D'ALUMINE ET DES PARTICULES AU MOINS PARTIELLEMENT
CRISTALLINES D'UN COMPOSE DE CERIUM, DE TITANE OU DE ZIRCONIUM,
SON PROCEDE DE PREPARATION ET SES UTILISATIONS.
La présente invention a pour objet un composé mésostructuré homogène comprenant une phase minérale d'alumine, son procédé de préparation et ses utilisations.
Au sens strict du terme, les composés dits mésoporeux sont des solides présentant, au sein de leur structure, des pores possédant une taille intermédiaire entre celle des micropores des matériaux de type zéolites et celle des pores macroscopiques.
Plus précisément,l'expression"composés mésoporeux"désigne à l'origine un composé qui comporte spécifiquement des pores de diamètre moyen compris entre 2 et 50 nm, désignés par le terme de"mésopores". Typiquement, ces composés sont des composés de type silices amorphes ou paracristallines dans lesquelles les pores sont généralement distribués de façon aléatoire, avec une distribution très large de la taille des pores.
En ce qui concerne la description de tels composés, on pourra notamment se reporter à Science, vol. 220, pp. 365-371 (1983) ou encore au Journal of Chemical Society, Faraday Transactions, 1, vol. 81, pp. 545-548 (1985).
D'autre part, les composés dits"structurés"sont quant à eux des composés présentant une structure organisée, et caractérisés de façon plus précise par le fait qu'ils présentent au moins un pic de diffusion dans un diagramme de diffusion de rayonnement de type diffusion par des rayons X ou par des neutrons. De tels diagrammes de diffusion ainsi que leur mode d'obtention sont notamment décrits dans Small Angle X-Rays Scattering (Glatter et Kratky-Academic Press London-1982).
Le pic de diffusion observé dans ce type de diagramme peut être associé à une distance de répétition caractéristique du composé considéré, qui sera désignée dans la suite de la présente description par le terme de "période spatiale de répétition"du système structuré.
Sur la base de ces définitions, on entend par"composé mésostructuré"un composé structuré possédant une période spatiale de répétition comprise entre 2 et 50 nm.
Les composés mésoporeux ordonnés constituent quant à eux un cas particulier de composés mésostructurés. Il s'agit en fait de composés mésoporeux qui présentent un agencement spatial organisé des mésopores présents dans leur structure, et qui de ce fait possèdent effectivement une période spatiale de répétition associée à l'apparition d'un pic dans un diagramme de diffusion.
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Les composés mésostructurés ou mésoporeux ordonnés comprenant une phase minérale sont biens connus et présentent un grand intérêt, notamment dans le domaine de la catalyse, de la chimie d'absorption ou de la séparation membranaire.
En particulier les composés mésostructurés ou mésoporeux ordonnés comprenant une phase minérale d'alumine présente un grand intérêt dans le domaine de la catalyse. Aussi de façon à les adapter au mieux à ces différentes applications, on a cherché à les modifier de façon à améliorer leur efficacité dans ces différents domaines.
En effet les composés mésostructurés ou mésoporeux ordonnés comprenant une phase minérale d'alumine, au sein de laquelle sont dispersées des particules minérales ne sont pas parfaitement homogènes chimiquement, et par conséquent ne répondent pas parfaitement aux exigences des industriels.
Aussi l'objet de l'invention est de proposer des composés mésostructurés ou mésoporeux ordonnés comprenant une phase minérale d'alumine, au sein de laquelle sont dispersées des particules minérales, ledit composé mésostructuré ayant une bonne homogénéité chimique.
Dans ce but la présente invention propose un composé mésostructuré ou mésoporeux ordonné comprenant une phase minérale d'alumine, au sein de laquelle sont dispersées des particules au moins partiellement cristallines d'un composé de cérium, de titane ou de zirconium, caractérisé en ce qu'il présente une homogénéité chimique telle que les domaines d'hétérogénéité sont d'au plus 100 nm2.
L'invention propose également un procédé de préparation dudit composé.
L'avantage des composés selon la présente invention est qu'en plus de leur grande homogénéité, ces composés sont stables thermiquement jusqu'à des températures d'environ 600 C et même jusqu'à des températures supérieures à 700 C.
Cette stabilité est mesurée par comparaisons avec la surface d'un composé calciné préalablement à 500 C. On entend par là que lorsqu'on soumet le composé à un traitement thermique de 6 heures aux températures précitées, on observe, en plus de la conservation du caractère mésostructuré, un relativement bon maintien de la surface spécifique, c'est-à-dire que, suite au traitement thermique, la surface spécifique BET dudit composé ne varie en général pas d'un facteur excédant 60 %, ce facteur restant de préférence inférieur ou égal à 50 %, et avantageusement inférieur ou égal à 40 %. Le facteur de variation de la sutface BET auquel il est fait référence est calculé par le ratio (Si-Sf)/ (Si), où"Si"désigne la surface spécifique BET mesurée après traitement thermique à 500 C ; et où"Sf'désigne la surface spécifique BET mesurée après traitement thermique à 600 C ou 700 C.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront clairement à la lecture de la description et des exemples donnés à titre purement illustratif et non limitatif, qui vont suivre.
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On entend par surface spécifique pour l'ensemble de la description, la surface spécifique B. E. T. déterminée par adsorption d'azote conformément à la norme ASTM D 3663-78 établie à partir de la méthode BRUNAUER-EMMETT-TELLER décrite dans le périodique "The Journal of the American Chemical Society, 60,309 (1938)".
Tout d'abord l'invention a pour objet un composé mésostructuré ou mésoporeux ordonné comprenant une phase minérale d'alumine, au sein de laquelle sont dispersées des particules au moins partiellement cristallines de composé de cérium, de titane ou de zirconium, caractérisé en ce qu'il présente une homogénéité chimique telle que les domaines d'hétérogénéité sont d'au plus 100 nm2.
En ce qui concerne la phase ou matrice minérale d'alumine, on entend par alumine des hydroxydes d'aluminium A ! (OH) s, des oxyhydroxydes d'aluminium AIO (OH) ou des oxydes d'aluminium Ab03. Au sein de cette phase minérale sont dispersées des particules au moins partiellement cristallines d'un composé de cérium, de titane, ou de zirconium. Ces particules de cérium, titane, zirconium sont des particules de dimension nanométrique.
On notera ici que la phase ou matrice minérale n'englobe pas totalement les particules de dimension nanométrique qu'elle contient. Dans ce cas, la phase minérale joue un rôle de liant entre les particules dont au moins une partie de la surface est ainsi accessible et dégagée de la phase minérale. Ainsi, au moins une partie des particules est en contact avec les parties poreuses constituant l'espace interne accessible par une phase gaz notamment, du matériau. On utilisera de ce fait parfois dans le reste de la description les termes phase liante au sujet de la phase minérale.
Par"particules de dimension nanométrique", on entend, au sens de la présente invention, des particules de préférence de morphologie sphérique ou isotrope dont au moins 50% de la population possède un diamètre moyen compris entre 1 et 10 nm et de préférence d'au plus 6nm, avec une répartition granulométrique de ces particules de préférence monodisperse. Ici et pour le reste de la description, les tailles des particules sont mesurées par microscopie électronique à transmission (MET).
De façon particulière, le terme"particules de dimension nanométrique"peut également désigner selon l'invention des particules fortement anisotropiques, de type bâtonnets, à la condition que, pour au moins 50% de la population de ces particules, le diamètre transversal moyen soit compris entre 1 et 10 nm et la longueur ne dépasse pas 100 nm, avec une répartition granulométrique de ces particules de préférence monodisperse.
De préférence les particules dispersées au sein de la matrice d'alumine sont des particules de diamètre de l'ordre de 3 à 5 nm. Les composés de cérium, de titane ou de zirconium des particules sont principalement des oxydes.
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On notera aussi que la phase minérale liante peut, elle aussi, être constituée par un assemblage de particules de dimension nanométrique. Dans ce cas, les particules d'alumine ont de préférence un diamètre inférieur à celui des particules des composés de cérium, de titane ou de zirconium, par exemple de 1 à 5nm.
De ce fait, en ce qui concerne la structure du composé de l'invention, celui-ci présente des parois minérales qui peuvent être décrites comme constituées de domaines discrets de phase liante et de particules de dimension nanométrique. Avantageusement, les parois minérales peuvent être constituées par des domaines de phase liante possédant une épaisseur plus faible comparée à l'épaisseur des domaines des particules de dimension nanométrique.
Ces parois minérales délimitent un volume poreux avec accessibilité des surfaces des particules de dimension nanométrique du composé de cérium, de zirconium ou de titane par une phase gaz ou une phase liquide.
Les particules de dimensions nanométriques à base des composés des éléments cérium, titane ou zirconium qui sont présentes dans le matériau de l'invention sont des particules au moins partiellement cristallines, au sein desquelles l'oxyde métallique présente généralement un taux de cristallinité allant de préférence de 30 à 100 % en volume. Le taux de cristallinité volumique d'un oxyde métallique donné, présent au sein des particules de dimensions nanométriques du matériau de l'invention, peut être calculé par le rapport de l'aire du pic de diffraction mesurée par diffraction RX pour un échantillon du composé selon l'invention à l'aire du même pic de diffraction mesurée pour un échantillon témoin dudit oxyde à l'état totalement cristallisé, corrigé des coéfficients d'absorption des oxydes correspondants.
La présence de ces particules partiellement cristallisées au sein de la phase minérale confère aux composés ou matériaux mésostructurés de l'invention, en plus d'un agencement ordonné de leur réseau de pores, un taux de cristallinité global généralement au moins égal à 10% en volume, et préférentiellement d'au moins 30% en volume, ce taux de cristallinité volumique global étant calculé en multipliant le taux de cristallinité volumique déterminé expérimentalement pour les particules, selon la méthode décrite ci-dessus, par la fraction de volume du matériau qui est occupée par lesdites particules. Plus particulièrement encore, le composé selon la présente invention présente un taux de cristallinité global en volume d'au moins 50% et encore plus préférentiellement d'au moins 60%.
Par"taux de cristallinité d'un matériau mésostructuré"au sens de l'invention, on entend le taux de cristallinité propre des parois de la structure, qui prend globalement en compte à la fois la cristallinité éventuelle de la phase minérale d'alumine ou phase liante et la cristallinité des particules de dimensions nanométriques incluses dans cette phase liante. A ce sujet, il faut donc bien souligner que la cristallinité du matériau, au sens de
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l'invention, correspond à une organisation microscopique détectable notamment par diffraction (par exemple par diffraction de rayons X aux grands angles), qui est à distinguer en particulier de l'ordre présenté, à un niveau plus macroscopique, par la mésostructure du matériau.
La phase minérale du matériau mésostructuré de la présente invention intégrant les particules de dimension nanométrique définies précédemment constitue quant à elle une phase minérale, amorphe à partiellement cristalline, constituée d'alumine.
Plus particulièrement ledit composé présente une homogénéité chimique telle que les domaines d'hétérogénéité sont d'au plus 25 nm2.
Par homogénéité chimique telle que les domaines d'hétérogénéité sont d'au plus x nm2, on entend un composé qui présente une homogénéité chimique sur une surface de x nm2 au moins. Par exemple par homogénéité chimique telle que les domaines d'hétérogénéité sont d'au plus 100 nm2 on entend un composé qui présente une homogénéité chimique à une surface d'au moins 10 nm x 10 nm sur coupes ultramicrotones. Ceci signifie qu'il n'y a pas de différence dans la composition chimique des produits de l'invention entre différentes zones de surface de 100 nm2.
Ces caractéristiques d'homogénéité sont déterminées par analyse MET-EDS. Plus particulièrement, le domaine d'hétérogénéité a été mesuré par la méthode de cartographie par spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) en utilisant une microsonde de microscopie électronique à transmission (MET) sur des coupes ultramicrotomes. Ces analyses étant réalisées avec un microscope équipé d'une source de 300 KV (à confirmer) et les coupes ultramicrotomes possèdent une épaisseur de 80 nm, plus ou moins 20 nm.
Dans un mode de réalisation préféré, le composé selon l'invention peut comprendre une phase minérale d'alumine au sein de laquelle sont dispersées des particules de cérium. Dans ce cas l'alumine et le cérium sont présents en quantité telle que le rapport atomique Ra = AI 1 (Ce + AI) est d'au plus 50%, de préférence au plus 25%.
Le composé selon l'invention possède avantageusement une structure mésostructurée dont l'épaisseur globale des parois du composé est comprise entre 2 et 10 nm.
Le composé selon l'invention possède avantageusement une structure mésoporeuse comportant des pores de taille comprise entre 2 et 12 nm, de préférence entre 3 et 9 nm.
Le composé selon l'invention est avantageusement un solide qui présente au moins localement une ou plusieurs mésostructure (s) choisie (s) parmi :
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les mésostructures mésoporeuses de symétrie hexagonale tridimensionnelle
P63/mmc, de symétrie hexagonale bidimensionnelle P6mm, de symétrie cubique tridimensionnelle la3d, Im3m ou Pn3m ; ou les mésostructures de type vésiculaires ou lamellaires, les mésostructures de type vermiculaires.
En ce qui concerne la définition de ces différentes symétries et structures, on pourra se référer par exemple à Chemical Materials, vol. 9, ? 12, pp. 2685-2686 (1997) ou encore à Nature, vol. 398, pp. 223-226 (1999) ou encore dans Science Vol 269, pp 1242-1244 (1995)
D'autre part, les composés de l'invention présentent une bonne stabilité en température et une surface spécifique élevée, supérieure à 650m2/cm3 pour une température de calcination de 6 heures à 500 C. Cette surface spécifique exprimée en m2/cm3 est obtenue en multipliant la surface généralement mesurée en m2/g par la densité du matériau composite. Pour un composé dont les particules de dimension nanométrique sont à base d'un composé de cérium, cette surface spécifique est comprise préférentiellement entre 100 et 500 m2/g.
Le procédé selon l'invention va maintenant être décrit.
Le procédé de préparation du produit selon l'invention comprend les étapes suivantes :
1) on forme un mélange aqueux comprenant : une dispersion colloïdale d'alumine - au moins un agent texturant une dispersion colloïdale d'un composé de cérium, de titane ou de zirconium dans laquelle le composé de cérium, de titane ou de zirconium est fonctionnalisé par un agent de surface de formule X-A-Y dans laquelle : a) X est une fonction complexant du cation du composé de cérium, de titane ou de zirconium de la dispersion colloïdale ; b) A est un groupement de type alkyl linéaire ou ramifié ; c) Y est un groupement amine ou hydroxy ; les dispersions colloïdales d'alumine et du composé de cérium, de titane ou de zirconium présentant une conductivité inférieure à 25mS/cm ;
2) on élimine l'eau du mélange précité ;
3) on élimine l'agent texturant.
Avantageusement les dispersions colloïdales utilisées pour préparer le mélange de l'étape 1 sont du type de celles décrites notamment dans les brevets EP 206 906 et EP 208 580 (notamment pour la dispersion colloïdale de cérium), ou dans Materials Letters 40 (1999) 52-58 (notamment pour la dispersion colloïdale d'alumine). Ces dispersions peuvent également être obtenues notamment par traitement acide et lavage
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de dispersions de poudres ultrafines obtenues par exemple par des procédés de synthèse à haute température du type des combustions de chlorures métalliques dans une flamme, connus de l'homme du métier.
De façon préférentielle, la concentration en particules dans les dispersions utilisées selon l'invention exprimée en mole de cation est supérieure à 1 M.
La dispersion colloïdale d'alumine a de préférence un pH compris entre 3 et 6. De plus il est préférable d'utiliser une dispersion colloïdale d'alumine dont la taille des particules ou colloïdes est comprise entre 1 nm et 5 nm.
La dispersion colloïdale d'un composé de cérium, de titane ou de zirconium possède de préférence des particules ou colloïdes dont la taille moyenne est comprise entre 3 nm et 8 nm.
Les dispersions colloïdales d'alumine et de composé de cérium, de titane ou de zirconium utilisées sont purifiées par lavage par la technique d'ultrafiltration pour présenter le niveau de conductivité mentionné plus haut. La valeur de conductivité donnée plus haut s'entend pour une mesure faite sur des dispersions à pH compris entre 2 et 5 et à une concentration en cation de 1 M. Cette conductivité mesurée dans ces conditions est ainsi inférieure à 25mS/cm, avantageusement inférieure à 8mS/cm.
Le milieu initial formé lors de l'étape (1) est un milieu aqueux, mais il peut également s'agir d'un milieu hydro-alcoolique, et de préférence dans ce cas d'un milieu eau/éthanol.
Le mélange préparé à l'issu de l'étape 1 comprend au moins un agent texturant.
Cet agent texturant présent dans le mélange est un composé amphiphile de type tensioactif, notamment un copolymère. La caractéristique essentielle de ce composé est qu'il est susceptible de former des phases cristal liquide dans le mélange réactionnel, de façon à conduire à la formation, d'une matrice minérale possédant une mésostructure organisée par mise en oeuvre du mécanisme de texturation LCT : (Liquid Cristal Templating).
Cependant, de façon à mettre en oeuvre un processus de texturation neutre qui présente l'avantage de conduire, à une augmentation de l'épaisseur des parois obtenues et donc à une amélioration de la stabilité de la structure finale, l'agent texturant utilisé dans le procédé selon l'invention est de façon préférentielle un composé non chargé dans les conditions de mise en oeuvre du procédé.
Avantageusement, l'agent texturant selon l'invention est un tensioactif non ionique de type copolymère, et notamment choisi parmi les copolymères séquencés du type dibloc ou tribloc.
De préférence, dans le cas d'un procédé conduit en milieux aqueux ou hydroalcoolique, on utilise un agent texturant non ionique de type copolymère séquencé, et plus préférentiellement un copolymère tribloc poly (oxyde d'éthylène) -poly (oxyde de
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propylène) -poly (oxyde d'éthylène) dit PEO-PPO-PEO (encore appelé (EO) x- (PO) y- (EO) z du type de ceux décrits notamment par Zhao et al. Dans le Journal of the American Chemical Society, vol. 120, pp. 6024-6036 (1998), et commercialisé sous le nom de marque générique de Pluronice par BASF. Avantageusement on peut également mettre en oeuvre des tensioactifs non ioniques tels que les poly (oxyde d'éthylène) greffés (EO) xCy commercialisés par Aldrich sous les noms de marques Brj ou Tween, ou encore des tensioactifs non ioniques à tête sorbitan du type de ceux commercialisés par Fluka sous le nom de marque Spans.
L'agent texturant peut aussi être un copolymère séquencé poly (oxyde d'éthylène)- poly (isopropène) ou un copolymère séquencé poly (oxyde d'éthylène)-poly (isoprène).
Selon l'invention la dispersion colloïdale du composé de cérium, de titane ou de zirconium est caractérisé en ce que le composé de cérium, de titane ou de zirconium est fonctionnalisé par un agent de surface de formule X-A-Y. L'agent de surface peut aussi se trouver sous forme libre au sein de la dispersion.
Cet agent de surface est un composé organique dans lequel A est un groupe alkyl linaire ou ramifié, éventuellement substitué, qui peut par exemple comprendre de 1 à 12 atomes de carbone, de préférence entre 2 et 8 atomes de carbone.
La fonction X est une fonction complexant du cation métallique du colloïde de la dispersion colloïdale du composé de cérium, de titane ou de zirconium. Par fonction complexant, on entend une fonction qui permet la formation d'une liaison complexante entre le cation du colloïde, par exemple le cation cérium, et l'agent de surface. Cette
Figure img00080001

fonction peut être une fonction du type phosphonate-POs ', ou phosphate-PO, carboxylate-C02-, ou suifate-SO', sutfonate-SOs par exempte.
La fonction Y est une fonction amine ou hydroxy. Elle peut être une fonction amine du type DNHz, EINHER2, ou DNR3R2, ou DNH/, R2 et R3, identiques ou différents, désignant un hydrogène ou un groupement alkyle comprenant de 1 à 8 atomes de carbone. Elle peut également être une fonction OH. Parmi les agents à fonctions OH, on peut citer par exemple l'acide glycolique, l'acide gluconique, l'acide lactique, l'acide hydroxybenzoique, le disodium phosphate de glycérol.
Parmi les agents de surface qui conviennent particulièrement à l'invention on peut mentionner les acides aminés, et notamment les acides aminés aliphatiques Notamment on peut citer les acides aminés constitutifs des protéines de structure REICH (NH2) 0 COOH où R est un radical aliphatique. A titre d'exemple on peut
Figure img00080002

mentionner la leucine, l'alanine, la valine, l'isoleucine, la glycine, la lysine.
L'agent de surface préféré selon l'invention est l'acide aminohexanoïque.
Avantageusement la quantité d'agent de surface utilisé pour fonctionnaliser le composé de cette dispersion est exprimée par le rapport Rb, déterminé par la formule suivante :
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Figure img00090001

Nombre de moles de fonction X Rb = Nombre de moles d'oxyde de cérium, de titane ou de zirconium
Figure img00090002

Le rapport Rb est avantageusement compris entre 0, 1 et 0, 5.
De préférence, la fonctionnalisation du composé de cérium, de titane ou de zirconium est réalisée par mise en contact d'une dispersion dudit composé avec l'agent de surface.
Selon une variante préférentielle de l'invention, la dispersion colloïdale d'alumine de départ peut aussi être une dispersion dans laquelle les colloïdes d'alumine peuvent être fonctionnalisés par un agent de surface du type X-A-Y, identique ou différent de l'agent de surface de la dispersion colloïdale du composé de cérium, de zirconium ou de titane.
De préférence, on effectue une élimination des molécules d'agent de surface éventuellement libre par lavage par ultrafiltration.
La formation du mélange de l'étape 1) du procédé selon l'invention se fait par simple mise en contact des constituants du mélange à savoir la dispersion d'alumine, l'agent texturant et la dispersion colloïdale fonctionnalisée selon la méthode décrite plus haut. Cette simple mise en contact se fait en milieux aqueux ou hydroalcoolique.
Les conditions de mise en oeuvre de l'étape 1) sont telles qu'elles permettent d'obtenir à l'issu de l'étape 1) un mélange qui possède une conductivité (mesurée à une concentration en cation de 1 M) qui est avantageusement d'au plus 25mS/cm. De préférence la conductivité du mélange (mesurée dans les mêmes conditions) sera d'au plus 8 mS/cm.
Pour obtenir une telle conductivité, on choisira des dispersions colloïdales présentant cette conductivité.
On utilise les dispersions colloïdales et l'agent texturant dans des quantités telles que le rapport :
Figure img00090003

volume des colloïdes volume des colloïdes + volume de l'agent texturant
Figure img00090004

soit de préférence compris entre 0, 1 et 0, 6, et plus particulièrement entre 0, 1 et 0,4.
Par volume des colloïdes on entend la valeur obtenue en divisant la masse des colloïdes présents dans la ou les dispersions par la densité théorique du ou des colloïdes et par volume de l'agent texturant on entend la valeur obtenue en divisant la masse de l'agent texturant par la densité théorique de celui-ci.
La deuxième étape du procédé consiste à éliminer au moins en partie l'eau du mélange de départ. Cette étape peut être réalisée par évaporation à l'air libre ou sous
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hotte aspirante, et de préférence à température ambiante. On peut effectuer l'évaporation avantageusement en couche mince, d'épaisseur inférieure à 5 mm. On peut également faire un séchage-atomisation en température.
La troisième étape du procédé de préparation du composé de l'invention consiste à éliminer l'agent texturant.
Cette étape peut être notamment réalisée par un traitement thermique. Dans ce cas, le traitement thermique est avantageusement réalisé suivant un profil de montée en température compris entre 0, 2 C par minute et 30C par minute, et de préférence suivant un profil de montée en température compris entre 0, 5 C par minute et 20C par minute, de façon à ne pas dégrader le matériau. Cette montée en température est généralement réalisée jusqu'à une température permettant l'élimination de l'agent texturant, de préférence jusqu'à une température de comprise entre 300 C et 600 C.
D'autre part, l'élimination de l'agent texturant peut également être réalisée par entraînement par un solvant. Il est à noter que l'entraînement par un solvant est facilité par le fait qu'on met en oeuvre de façon préférentielle un composé amphiphile non chargé, ce qui induit une interaction agent texturant-matrice suffisamment faible pour permettre ce type d'élimination.
Avantageusement, le solide obtenu à l'issue de ces différentes étapes peut en outre être soumis à un traitement thermique supplémentaire, et notamment à une calcination. Le but de ce traitement thermique supplémentaire éventuel est d'augmenter la cristallinité du matériau obtenu, et d'éliminer les impuretés telles que les anions nitrates et les agents de surface.
Enfin l'invention concerne aussi les utilisation du composé mésostructuré ou mésoporeux ordonné selon l'invention et du produit obtenu par le procédé selon l'invention comme catalyseur ou comme support de catalyseur notamment pour post combustion automobile.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée EXEMPLES Exemple 1 : Préparation d'un composé de nanoparticules de cérium dans une matrice d'alumine AI203 avec un rapport (Ail Ce) = (0,1/0, 9) mole et = 0,2 a) Préparation d'une dispersion colloïdale aqueuse de particules d'oxyde de cérium cristallisées de dimensions nanométriques :
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Une dispersion colloïdale d'oxyde de cérium est préparée suivant le mode opératoire décrit à l'exemple 1 de la demande de brevet EP 208 580. La teneur en hydrate de cérium est de 65% en masse.
On additionne 300 g d'eau déminéralisée à 500 g d'hydrate de cérium redispersable.
Puis on réalise une dispersion à l'ultraturax pendant 15 mn à raison de 4500 tours/mn.
La dispersion est centrifugée pendant 15 mn à raison de 4500 tours/mn. On récupère un culot humide.
A ce culot humide, on ajoute 200 g d'eau déminéralisée, le volume total de la dispersion après addition d'eau étant de 300 ml. Après homogénéisation à l'ultraturax pendant 15 mn, la dispersion est centrifugée pendant 45 mn à 4500 t/mn. On récupère un culot.
On ajoute de nouveau à ce culot humide de l'eau déminéralisée jusqu'à un volume total de 600 ml. Après homogénéisation, on obtient une dispersion colloïdale limpide à l'oeil que l'on concentre par ultrafiltration à 330 ml. On reprend avec de l'eau déminéralisée jusqu'à un volume de 600 ml. On concentre jusqu'à 200 ml.
Après détermination de la perte au feu de la dispersion de densité 1, 92, la concentration molaire en Ce02 est de 5,69 M ou 2,95 mole 1 Kg.
La fonctionnalisation de la surface des nanoparticules de Ce02 est réalisée de la manière suivante : A 400 g de dispersion colloïdale préparée comme décrite précédemment, on additionne une solution préparée par addition de 30,92 g d'acide aminohexanoïque dans 400 ml d'eau. On laisse sous agitation à température ambiante pendant 16 heures. Le pH est de 4,6. La dispersion est de nouveau lavée par ultrafiltration par addition de deux volumes équivalent d'eau déminéralisée. On concentre jusqu'à 500 ml. La dispersion ainsi obtenue est à 2,08 mole 1 1.
Après dilution par de l'eau déminéralisée à 1 Mil, le pH de la dispersion est de 4,3 et la conductivité de la dispersion est de 3,15 mS/cm. b) Préparation d'une dispersion colloïdale aqueuse de particules de tri hydroxyde d'aluminium (AI (OH) 3) de dimensions nanométriques : Une dispersion colloïdale de tri-hydroxyde d'aluminium est préparée selon le mode opératoire décrit ci-dessous : Dans un réacteur double enveloppe équipé d'un système d'agitation et d'un condenseur, on additionne dans 150 g d'eau sous agitation, 121 g de sel d'aluminium AICI3, 6H2O.
Après dissolution, on additionne à température ambiante 154 ml de NH40H 3,25 M à 5 ml Imn. Puis on additionne 45 g d'urée préalablement dissous dans 50 g d'eau.
Le milieu réactionnel est maintenu à 95 C pendant 16 heures.
Après refroidissement à température ambiante, le pH est pH 6,09
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La dispersion est transférée dans un bécher équipé d'une électrode de pH reliée à un dispositif de régulation de pH. On additionne sous agitation pendant une heure de l'acide chlorhydrique de manière à réguler le pH de la dispersion à pH 4. On laisse sous agitation une heure de plus.
La dispersion est lavé par 4 fois son volume par de l'eau déminéralisée par ultrafiltration sur membranes de 3 KD.
On concentre la dispersion par ultrafiltration et la détermination de l'extrait sec par calcination d'une aliquote à 1000 C indique une concentration de 1,1 mole en AI.
On ajuste par dilution par de l'eau déminéralisée la concentration de la dispersion à 1M en AI.
Le pH est égal à 4,65 et la conductivité est de 4,5 mS/cm. Par Cryo microscopie électronique à transmission, on visualise des nanoparticules de diamètre de 3 nm parfaitement individualisées. c) Préparation du matériau mésostructuré : Dans un bécher, on verse 200 g d'eau, puis 6,10 g de Pluronic P 123. Ce composé Pluronic P 123 est un copolymère amphiphile de type séquencé tri bloc en provenance de la société BASF ayant pour formule développée HO (CH2CH2O) 2o (CH2CH (CH3) 0) 7o (CH2CH20) 2oH et une masse moléculaire moyenne de 5750 g 1 mole. Le mélange réalisé a ainsi été mis sous agitation pendant deux heures.
On a alors additionné de manière simultanée 56,3 ml de la dispersion colloïdale d'oxyde de cérium à 1 M précédemment décrite et 6,3 ml de la dispersion colloïdale de tri hydroxyde d'aluminium 1 M précédemment décrite. On a poursuivi l'agitation durant 15 minutes.
La dispersion obtenue a ensuite été placée dans des boites de pétri en verre et a été soumise à une évaporation à 20 C pendant 5 jours sous hotte aspirante.
Le produit sec a été alors ensuite été transféré dans des nacelles en alumine. Le produit a été calciné à 500 C avec une montée en température de 1 C/mn et un palier de 6 heures.
Les quantités de copolymère amphiphile et de dispersion colloïdale ainsi utilisées vérifient le rapport 0 = 0,2.
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L'observation en microscopie électronique en transmission du matériau obtenu à l'issu de ces différentes étapes fait apparaître l'existence d'une texture.
Par ailleurs, le tracé des courbes d'adsorption-désorption BET azote montre une répartition monodisperse de la taille des pores.
La surface spécifique du matériau a été déterminée égale à 200 m2fg pour le produit calciné à 400 C 6h soit 1360mcm3 La surface spécifique du matériau a été déterminée égale à 158 m2/g pour le produit calcinéà500 C6hsoit1075m2/cm3.
La surface spécifique du matériau a été déterminée égale à 110 m2fg pour le produit calciné à 600 C 6h soit 748 m/crr Par ailleurs, la taille moyenne des pores pour ces différents produits a été déterminée égale à 7 nm.
Le volume poreux déterminé par BET azote est vp= 0,33 cm/g. Par diffraction des rayons X, on observe des raies caractéristiques de la structure Ce02.
Exemple 2 : Préparation d'un composé de nanoparticule de cérium dans une matrice d'alumine Al2O3 - CeO2 avec un rapport (Alf Ce) = (0, 25/0, 75) mole et = 0,22 Dans un bécher, on a versé 200 g d'eau, puis 6,10 g de Pluronic P 123. Le mélange réalisé a ainsi été mis sous agitation pendant deux heures. On a alors additionné de manière simultanée 52,2 ml de la dispersion colloïdale d'oxyde de cérium à 1 M précédemment décrite et 17,4 ml de la dispersion colloïdale de tri hydroxyde d'aluminium 1 M précédemment décrite. On a poursuivi l'agitation durant 15 minutes.
La dispersion obtenue a ensuite été placée dans des boites de pétri en verre et a été soumise à une évaporation à 20 C pendant 4 jours sous hotte aspirante.
Le produit sec a été ensuite transféré dans des nacelles en alumine. Le produit a été calciné à 500 C avec une montée en température de 1 C/mn et un palier de 6 heures.
Les quantités de copolymère amphiphile et de dispersion colloïdale ainsi utilisées
Figure img00130001

vérifient le rapport 0 = 0, 22.
L'observation en microscopie électronique en transmission du matériau obtenu à l'issu de ces différentes étapes fait apparaître l'existence d'une texture.
La surface spécifique du matériau a été déterminée égale à 127m2fg à 500 C soit 784m2/cm3.
Par ailleurs, la taille moyenne des pores a été déterminée égale à 9 nm Le volume poreux déterminé par BET azote est vp= 0,325 cm3fg

Claims (8)

    REVENDICATIONS 1-Composé mésostructuré ou mésoporeux ordonné comprenant une phase minérale d'alumine, au sein de laquelle sont dispersées des particules au moins partiellement cristallines d'un composé de cérium, de titane ou de zirconium, caractérisé en ce qu'il présente une homogénéité chimique telle que les domaines d'hétérogénéité sont d'au plus 100 nm2.
  1. 2-Composé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il présente une homogénéité chimique telle que les domaines d'hétérogénéité sont d'au plus 25 nm2.
    3- Composé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il présente un taux de cristallinité global en volume d'au moins 10%.
  2. 4-Composé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il présente un taux de cristallinité global en volume d'au moins 30%.
    5- Composé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les particules sont des particules de cérium et, où l'alumine et le cérium sont présents en quantité telle que le rapport atomique Ra = Ail (Ce + AI) est d'au plus 50%, de préférence au plus 25%.
  3. 6-Composé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'épaisseur globale des parois du composé mésostructuré est comprise entre 2 et 10 nm.
    7- Composé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les particules dispersées dans la phase minérale sont des particules de diamètre de 3nm à 5nm.
  4. 8-Composé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en qu'il comporte des pores de taille comprise entre 2 et 12 nm, de préférence entre 3 et 9 nm 9-Composé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il présente au moins localement une ou plusieurs mésostructure (s) choisie (s) parmi : - les mésostructures mésoporeuses de symétrie hexagonale tridimensionnelle P63/mmc, de symétrie hexagonale bidimensionnelle P6mm, de symétrie cubique tridimensionnelle la3d, Im3m ou Pn3m ; ou - les mésostructures de type vésiculaires ou lamellaires,
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    - les mésostructures vermiculaires.
  5. 10-Procédé de préparation du produit selon les revendications 1 à 9 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    1) on forme un mélange aqueux comprenant : - une dispersion colloïdale d'alumine ; au moins un agent texturant ; une dispersion colloïdale d'un composé de cérium, de titane ou de zirconium dans laquelle le composé de cérium, de titane ou de zirconium est fonctionnalisé par un agent de surface de formule X-A-Y dans laquelle : a) X est une fonction complexant du cation du composé de cérium, de titane ou de zirconium de la dispersion colloïdale ; b) A est un groupement de type alkyl linéaire ou ramifié ; c) Y est un groupement amine ou hydroxy ; les dispersions colloïdales d'alumine et du composé de cérium, de titane ou de zirconium présentant une conductivité inférieure à 25mS/cm ;
    2) on élimine l'eau du mélange précité ;
    3) on élimine l'agent texturant.
    11- Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'on utilise une dispersion colloïdale d'alumine dont le pH est compris entre 3 et 6.
  6. 12-Procédé selon l'une des revendications 10 à 11 caractérisé en ce que l'on utilise une dispersion colloïdale d'alumine dont les colloïdes ont une taille comprise entre 1 et 5 nm.
    13- Procédé selon l'une des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que l'on utilise un agent texturant qui est un tensioactif non ionique de type copolymère, et notamment choisi parmi les copolymères séquencés du type dibloc ou tribloc.
    14- Procédé selon la revendications 13 caractérisé en ce que l'on utilise un agent texturant choisi parmi les copolymères tri bloc poly (oxyde d'éthylène) -poly (oxyde de propylène) -poly (oxyde d'éthylène) ou les poly (oxyde d'éthylène) greffés ou les copolymères séquencés poly (oxyde d'éthylène) -poly (isopropène) ou les copolymère séquencés poly (oxyde d'éthylène) -poly (isoprène).
  7. 15-Procédé selon l'une des revendications 10 à 14 caractérisé en ce que l'on utilise une dispersion colloïdale d'un composé de cérium, de titane ou de zirconium dans
    <Desc/Clms Page number 16>
    laquelle la quantité d'agent de surface est exprimée par le rapport Rb (Rb = nombre de moles de fonction X/nombre de moles d'oxyde de cérium, de titane ou de zirconium), qui est compris entre 0,1 et 0,5.
    16-Procédé selon l'une des revendications 10 à 15 caractérisé en ce que l'on utilise une dispersion colloïdale d'un composé de cérium, de titane ou de zirconium dont la taille moyenne des colloïdes est comprise entre 3 et 8 nm.
    17-Procédé selon l'une des revendications 10 à 16 caractérisé en ce que l'on utilise un agent de surface qui est un acide aminé, plus particulièrement un acide aminé aliphatique.
    18-Procédé selon l'une des revendications 10 à 17 caractérisé en ce que l'on forme, à l'étape 1), un mélange dont la conductivité, mesurée à une concentration de 1M, est d'au plus 25 mS/cm.
    19-Procédé selon l'une des revendications 10 à 18 caractérisé en ce que l'on forme à l'étape 1) un mélange dont la conductivité, mesurée à une concentration 1 M, est d'au plus 8 mS/cm.
    20-Procédé selon l'une des revendications 10 à 19 caractérisé en ce que l'on utilise les dispersions colloïdales et l'agent texturant dans des quantités telles que le rapport + volume des colloïdes/volume des colloïdes + volume de l'agent texturant) est compris entre 0,1 et 0,6, et plus particulièrement entre 0,1 et 0,4.
    21- Procédé selon l'une des revendications 10 à 20 caractérisé en ce qu'on élimine l'eau du mélange de départ par évaporation ou par un séchage-atomisation.
    22-Procédé selon l'une des revendications 10 à 21 caractérisé en ce que l'on élimine l'agent texturant par un traitement thermique.
    23-Procédé selon l'une des revendications 10 à 22 caractérisé en ce que l'on réalise la fonctionnalisation du composé de cérium, de titane ou de zirconium par mise en contact d'une dispersion colloïdale dudit composé avec l'agent de surface.
  8. 24-Utilisation du produit obtenu selon l'une des revendications 1 à 9 et du produit obtenu par le procédé selon l'une des revendications 10 à 23 comme catalyseur ou comme support de catalyseur notamment pour post combustion automobile.
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