FR3007673A1 - Procede de fabrication de produits de forme mesoporeux en beta-sic et produits obtenus par ce procede - Google Patents

Abstract

Procédé de fabrication d'une pièce de forme en β-SiC comportant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm représentant un volume mésoporeux (déterminé par porosimétrie à intrusion de mercure) supérieur à 0,30 cm3/g, ledit procédé comprenant la transformation d'une préforme mésoporeuse de carbone avec au moins une source de silicium en carbure de silicium (β-SiC), ladite source de silicium pouvant être incorporée dans ladite préforme ou apportés de l'extérieur, ladite préforme de carbone présentant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm d'un volume mésoporeux supérieur à 0,25 cm3 par gramme de carbone. Cette pièce de forme mésoporeuse en β-SiC peut être utilisée comme support de catalyseur pour des réactions chimiques impliquant une phase liquide, et en particulier pour la réaction Fischer-Tropsch.

Description

Procédé de fabrication de produits de forme mésoporeux en beta-SiC et produits obtenus par ce procédé Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine de la catalyse hétérogène, et en particulier les supports pour catalyseur hétérogène en carbure de silicium. Elle concerne encore plus particulièrement celui des produits de forme en 3-SiC obtenus par les méthodes de synthèse à mémoire de forme. Etat de la technique Un catalyseur est un matériau qui augmente la conversion et la sélectivité d'une réaction chimique et se retrouve intacte à la fin de la réaction. La catalyse hétérogène est le procédé dans lequel les réactifs s'adsorbent à la surface du solide catalytique, sont activés par des interactions chimiques avec la surface du catalyseur, et sont rapidement et sélectivement transformés en produits adsorbés qui désorbent ensuite de la surface du catalyseur. Typiquement un catalyseur hétérogène comprend un support sur lequel est dispersée une phase active. La phase active du catalyseur hétérogène est souvent constituée de métaux, d'oxydes de métaux, de sulfures ou de carbures. Les supports sont souvent constitués de solides poreux qui sont des oxydes, comme l'alumine et la silice, ou le carbone. Il est préférable d'avoir la phase active finement divisée sur la surface du support pour permettre d'accroître la surface exposée aux réactifs. Cela est rendu possible par la présence de pores dans le support qui vont augmenter la surface spécifique du solide. Les micropores (définies par IUPAC, voir Pure & Applied Chemistry, 66, n° 8, p. 1739-1758 (1994)) comme les pores d'un diamètre inférieur à 2 nm) accroissent fortement la surface spécifique. On peut par exemple citer le charbon actif qui est exclusivement microporeux et peut avoir une surface spécifique supérieure à 1000 m2/g. En catalyse hétérogène, on préfère les supports mésoporeux et macroporeux. Les mésopores (diamètre compris entre 2 nm et 50 nm, selon IUPAC) génèrent des surfaces spécifiques de plusieurs dizaines de m2/g à plusieurs centaines de m2/g. Les macropores sont considérées comme n'apportant pas de surface spécifique ou très peu. Afin de maximiser la vitesse de réaction, il est essentiel de maximiser l'accessibilité de tous réactifs vers les sites actifs qui sont dispersés à travers la structure interne des pores (mésopores). En catalyse hétérogène, un acte catalytique se décompose en général en sept étapes : (i) Diffusion externe : transfert de masse externe ou de film où les réactifs présents dans un film stagnant qui entourent le solide doivent pénétrer dans le solide ; (ii) Diffusion interne : les réactifs diffusent dans les pores vers les sites actifs ; (iii) Adsorption du réactif (ou des réactifs) A sur la surface du catalyseur ; (iv) Réaction : transformation de A en B sur le site catalytique (site actif) ; (v) Désorption du produit (ou des produits) B de la surface du catalyseur ; (vi) Diffusion interne : les produits diffusent des pores à la surface du catalyseur ; (vii) Diffusion externe : transfert de masse externe ou de film.

Les étapes (i), (ii), (vi) et (vii) sont des processus diffusionnels faiblement dépendants de la température (en T112 ou T312) alors que les étapes (iii), (iv) et (v) sont des processus chimiques fortement dépendants de la température. En augmentant la température, la vitesse de réaction va augmenter d'une manière exponentielle et les étapes limitantes vont être les étapes diffusionnelles. La diffusion étant liée à la taille des grains et à la taille et au nombre de pores, il est préférable d'avoir des pores larges et interconnectées pour diminuer le facteur diffusionnel. Il est donc préférable d'avoir un matériau catalytique non microporeux. Plus particulièrement un support de catalyseur ayant des mésopores et macropores est préféré. Les mésopores vont contenir la phase catalytique finement dispersée (le matériau catalytique) et les macropores vont permettre d'amener les réactifs vers les mésopores et évacuer les produits hors du solide après réaction. Selon la classification IU PAC, les mésopores sont les pores ayant un diamètre compris entre 2 nm et 50 nm. Plus de détails sur les concepts élémentaires de la catalyse hétérogène sont publiés dans la seconde édition du livre « Fundamentals of Industrial Catalytic Processes» par C.H. Bartholomew et R.J. Ferrauto.

Un matériau de support pour catalyseur est le carbure de silicium ; ses applications dans des procédés industriels sont en cours de développement et dépendent de la maîtrise de sa distribution poreuse. La distribution poreuse dépend du procédé d'élaboration du matériau.

On connaît du brevet US 6,184,178 (Pechiney Recherche) un procédé pour obtenir un support de catalyseur à base de 3-SiC sous forme de granules avec une surface spécifique BET d'au moins 5 m2/g. Ces granules sont obtenus par la mise en forme d'un mélange d'une résine thermodurcissable carbonisable ou de brai avec une poudre de Si et/ou SiO2 et d'additifs optionnels. Les additifs peuvent être du charbon actif, des agents de réticulation, des porogènes, des plastifiants, des lubrifiants, des solvants. La réticulation de la résine a lieu à une température jusqu'à 250°C. Le traitement thermique visant la carbonisation de la matière organique et la carburation est effectué à une température comprise entre 1300°C et 1450°C. Le brevet EP 0 624 560 B1 décrit un procédé similaire conduisant à un produit qui présente une mésoporosité très faible constituée de pores dont la taille est centrée très précisément sur une plage de diamètres comprise entre 27,5 nm et 35 nm. L'article « Innovative porous SiC-based materials : From nanoscopic understandings to tunable carriers serving catalytic needs » par P.Nguyen et C.Pham, paru dans Applied Catalysis A :General 391 (2011) 443-454 décrit la préparation de supports de catalyseur poreux de 3-SiC de formes diverses, telles que : extrudés, anneaux, granules, mousses, microbilles. Par ailleurs, on connaît du brevet US 7,910,082 (Corning Inc.) un procédé d'obtention de nanocomposites carbone - silicium ordonnés mésoporeux par un auto-assemblage induit par évaporation d'une composition précurseur qui comprend de préférence une résine phénolique, un tetraéthyl-orthosilicate (TEOS) préhydrolysé, un surfactant et du butanol. Le mélange précurseur est séché, réticulé et chauffé pour former un carbure de silicium mésoporeux ordonné présentant une surface spécifique comprise entre 400 m2/g et 900 m2/g et une taille moyenne de pores ne dépassant pas 6 nm, déterminé selon la mesure de l'adsorption d'azote et la méthode BJH. La méthode BJH (Barrett-Joyner-Halenda) est une méthode pour calculer la distribution de la taille des pores dans un matériaux poreux en utilisant des isothermes d'adsorption ou de désorption. Cette méthode ne prend pas en compte des pores d'un diamètre significativement supérieur à 100 nm. Les pores sont produits par l'auto-assemblage d'un polymère tri-block dans le mélange résine phénolique / TEOS / butanol, et leur taille est limitée. Le brevet CN 1 401 564 décrit un procédé pour obtenir une poudre de 3-SiC mésoporeux avec une surface spécifique comprise entre 60 m2/g et 120 m2/g et des pores de taille comprise entre 3 nm à 50 nm. Ce matériau est obtenu par un procédé dans lequel on dissout une résine phénolique dans un solvant, avec addition d'un sel d'un métal de transition, d'éthylsilicate (ou méthyl- ou propylsilicate) et un acide minéral, puis on hydrolyse le silicate, ajoute un agent de réticulation et soumet le solide obtenu à un traitement thermique à une température comprise entre 1200°C et 1400°C pendant 5 h à 24 h. Le matériau de SiC qui en résulte se présente sous la forme d'une poudre et est contaminé par le métal de transition qui a été ajouté comme porogène : le SiC doit donc être lavé pour éliminer ce métal de transition. Comme décrit dans le brevet, le procédé conduit à une poudre. Elle doit être mise en forme avant de pouvoir être utilisée dans un procédé catalytique, et risque de perdre sa porosité lors de cette mise en forme. Les matériaux de [3-SiC obtenus par ces procédés présentent une haute surface spécifique. Ils conviennent comme support de catalyseur pour certaines réactions en phase gazeuse, dans lesquelles le temps de contact entre le milieu réactionnel et le catalyseur est généralement très court. Par exemple, l'utilisation de tel supports de catalyseur a été décrite pour l'oxydation sélective de H2S en soufre et pour la synthèse Fischer-Tropsch (voir l'article de P.Nguyen et C.Pham précité), ou encore pour le traitement de gaz d'échappement de moteurs Diesel (voir EP 0 624 560 B1 précité, voir WO 2005/038204), ou encore pour la production d'hydrogène par oxydation de méthane (voir WO 2004/007074). La demanderesse a constaté que les procédés selon l'état de la technique ne permettent pas d'obtenir des produits optimisés pour certaines applications de catalyse en phase liquide ou dans des conditions en phase gazeuse susceptibles de conduire à la condensation de molécules relativement lourdes. Les conditions de transport étant différentes en phase gazeuse et en phase liquide, il n'est pas surprenant que le même support de catalyseur ne soit pas parfaitement adapté aux deux milieux à la fois. On recherche donc de nouveaux supports de catalyseur en [3-SiC susceptibles d'être préparés dans des formes géométriques différentes, qui présentent une surface spécifique et une taille de pores suffisantes et qui conviennent mieux aux réactions en phase liquide.

Objets de l'invention La demanderesse s'est rendue compte que la simple augmentation de la surface spécifique n'améliore pas l'aptitude des matériaux à base de [3-SiC comme support de catalyseur pour la catalyse hétérogène, notamment en vue de la formation de molécules lourdes ; la formation de molécules lourdes peut être soit visée dans le procédé catalytique dans lequel les supports à base de [3-SiC sont utilisés, comme dans le document US 5,576,466 (Pechiney Recherche) qui décrit l'isomérisation de mélanges d'hydrocarbures en C10 à 020, soit inévitable, comme dans le cas de la réaction FischerTropsch (voir WO 2012/038621 (CNRS), WO 2012/164231 (SICAT), voir également WO 2007/000506 et WO 2005/073345 (TOTAL)). Dans tous ces cas il se pose la question de savoir quelle est la porosité réellement accessible à une phase visqueuse dans des conditions réactionnelles impliquant des molécules lourdes et des hautes pressions. Cela motive la recherche de nouveaux supports pour catalyse hétérogène.

Selon l'invention, le problème est résolu par des supports de catalyseur en (3-SiC mésoporeux d'une structure et distribution poreuse particulière. Plus précisément, ces pièces de forme présentent des pores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm correspondant à un volume mésoporeux d'au moins 0,35 cm3/g, de préférence d'au moins 0,40 cm3/et encore plus préférentiellement d'au moins 0,45 cm3/g (déterminé par porosimétrie à intrusion de mercure). Ces pièces de forme sont accessibles par un nouveau procédé de fabrication d'un support de catalyseur en f3-SiC, qui forme le premier objet de la présente invention. Dans ce procédé on obtient une pièce de forme mésoporeuse en (3-SiC en utilisant une préforme mésoporeuse en carbone. Plus précisément, le premier objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce de forme en (3-SiC comportant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm représentant un volume mésoporeux supérieur à 0,30 cm3/g et de préférence supérieur à 0,35 cm3/g, et encore plus préférentiellement supérieur à 0,40 cm3/g (déterminé par porosimétrie à intrusion de mercure), ledit procédé comprenant la transformation d'une préforme mésoporeuse de carbone avec au moins une source de silicium en carbure de silicium ((3-SiC), ladite source de silicium pouvant être incorporée dans ladite préforme et/ou apportée de l'extérieur, ladite transformation ayant lieu sous atmosphère non oxydante à une température de préférence comprise entre 1100°C et 1400°C, ladite préforme mésoporeuse de carbone présentant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm d'un volume mésoporeux supérieur à 0,25 cm3 par gramme de carbone (et de préférence supérieur à 0,35 cm3 par gramme de carbone, et encore plus préférentiellement supérieur à 0,45 cm3 par gramme de carbone). A titre d'exemple, on peut fabriquer une pièce de forme en (3-SiC comportant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm représentant un volume mésoporeux supérieur à 0,30 cm3/g, et de préférence supérieure à 0,35 cm3/g, à partir d'une préforme mésoporeuse de carbone présentant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm d'un volume poreux supérieur à 0,25 cm3 par gramme de carbone, et de préférence supérieur à 0,30 cm3 par gramme de carbone, et encore plus préférentiellement supérieur à 0,35 cm3 par gramme de carbone. Toujours à titre d'exemple, on peut fabriquer une pièce de forme en 0-sic comportant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm représentant un volume mésoporeux supérieur à 0,35 cm3/g, et de préférence supérieur à 0,40 cm3/g, à partir d'une préforme mésoporeuse en carbone présentant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm d'un volume poreux supérieur à 0,30 cm3 par gramme de carbone, et de préférence supérieur à 0,35 cm3 par gramme de carbone, et encore plus préférentiellement supérieur à 0,40 cm3 par gramme de carbone.

Dans un mode de réalisation avantageux, le procédé selon l'invention comporte les étapes de (a) pyrolyse d'une préforme d'un précurseur mésoporeux de carbone comportant au moins une source de silicium pour obtenir une préforme mésoporeuse en carbone contenant du silicium ; (b) transformation de ladite préforme mésoporeuse en (3-SiC mésoporeux par réaction avec des matériaux comportant du silicium sous atmosphère non oxydante à une température de préférence comprise entre 1100°C et 1400°C. Dans un mode de réalisation, ladite préforme mésoporeuse de carbone a été élaborée à partir d'un précurseur mésoporeux de carbone qui peut être une résine phénolique mésoporeuse, de préférence un phénoplaste, et encore plus préférentiellement sélectionné dans le groupe formé par les résoles mésoporeux, les novolaques mésoporeux et des mélanges des deux.

Ladite source de silicium peut être sélectionnée dans le groupe formé par le silicium métallique, la silice, les composés de silicium, et leurs mélanges. Dans une mode de réalisation, ladite source de silicium est intimement mélangée avec ledit précurseur de carbone mésoporeux. Avantageusement, on prépare une préforme à partir du mélange entre ledit précurseur de carbone mésoporeux et ladite source de silicium. Ladite source de silicium peut être incorporée dans ledit précurseur de carbone mésoporeux avant la mise en forme conduisant à ladite préforme, ou apporté de l'extérieur, par exemple sous la forme d'espèces de SiO gazeux formé dans le réacteur de carburation. Ladite préforme peut être obtenue par un procédé de mise en forme sélectionné dans le groupe formé par l'extrusion, le pressage de pâte, l'atomisation, la granulation, le broyage, le pressage de poudre, le coulage dans un moule, l'émulsion, le revêtement, ou par une combinaison de ces procédés.

Ledit précurseur de carbone mésoporeux peut se présenter avant la mise en forme conduisant à ladite préforme sous une forme réticulée, partiellement réticulée, et/ou non réticulée. Ladite préforme au moins partiellement réticulée présente avantageusement un volume mésoporeux d'au moins 0,25 cm3 par gramme de carbone, de préférence d'au moins 0,30 cm3 par gramme de carbone, et encore plus préférentiellement d'au moins 0,35 cm3 par gramme de carbone, mesuré après séchage et/ou réticulation à 150°C. Cette préforme au moins partiellement réticulée, qui est mésoporeuse, est ensuite pyrolysée, comme cela est décrit ci-dessus, pour former la préforme en carbone mésoporeux, qui est ensuite transformée en pièce de forme en 3-SiC mésoporeux. Lors de la transformation de la préforme au moins partiellement réticulée en une pièce de forme en (3-SiC en passant par une préforme en carbone, le pic de la distribution du diamètre mésoporeux se déplace vers des diamètres plus grands. Il est ainsi possible d'ajuster la distribution du diamètre mésoporeux de la pièce de forme en (3-SiC en choisissant une résine ou une préforme en carbone de mésoporosité appropriée.

Le second objet de l'invention est une pièce de forme en (3-SiC susceptible d'être obtenue par le procédé selon le premier objet de l'invention et/ou ses variantes, ladite pièce étant caractérisée en ce qu'elle présente des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm correspondant à un volume mésoporeux d'au moins 0,35 cm3/g, de préférence d'au moins 0,40 cm3/g et encore plus préférentiellement d'au moins 0,45 cm3/g (déterminé par porosimétrie à intrusion de mercure). Dans un mode de réalisation avantageux, cette pièce de forme est caractérisée en ce qu'elle présente une surface spécifique BET d'au moins 30 m2/g, et de préférence comprise entre 30 et 100 m2/g. Encore plus préférentiellement, la surface « mésoporeuse » calculée par la surface BET diminuée de la surface microporeuse est d'au moins 20 m2/g, de préférence d'au moins 30 m2/g, encore plus préférentiellement d'au moins 40 m2/g et de manière optimale d'au moins 45 m2/g. Un dernier objet de l'invention est l'utilisation d'une pièce de forme susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'invention, et plus particulièrement l'utilisation d'une pièce de forme telle que décrit ci-dessus par sa mesoporosité, comme support de catalyseur pour des réactions faisant intervenir au moins une phase liquide. Compte tenu de la grande résistance chimique du SiC et de la stabilité de sa structure mésoporeuse, une pièce de forme selon l'invention se prête aussi bien à l'utilisation comme support de catalyseur en milieu liquide agressif, par exemple pour des réactions visant la conversion de biomasse.

Les pièces de forme selon ce dernier objet de l'invention se prêtent particulièrement comme support de catalyseur pour la réaction de Fischer-Tropsch ; cette réaction pose des problèmes très particuliers par rapport au choix des supports de catalyseur, dans la mesure où elle transforme des molécules gazeuses parmi les plus simples (H2 et CO, sous la forme de gaz purs ou non) en un mélange de molécules hydrocarbures de masses très différentes, lesdites molécules pouvant se présenter comme des gaz ou des liquides (pouvant être très visqueux (cires)) dans les conditions de leur synthèse catalytique. Ledit support de catalyseur pour la réaction Fischer-Tropsch peut comprendre une phase active de cobalt à raison d'environ 5 à 30% massiques.

Figures Les figures 1 à 8 illustrent différents aspects de l'invention et de l'état de la technique. La figure 1 montre le diffractogramme aux rayons X d'un échantillon de 3-SiC selon l'exemple 4. Les figures 2 et 3 montrent la distribution du volume poreux pour différents diamètres de pores obtenu par intrusion de mercure des échantillons selon l'état de la technique décrits à l'exemple 1 (pour la figure 2) et à l'exemple 2 (pour la figure 3) : - Courbe A (pointillée) : résine contenant des inclusions de silicium, après séchage à 150°C, - Courbe B (traits interrompus) : préforme en carbone contenant des inclusions de silicium, obtenue par pyrolyse de la résine, - Courbe C (ligne noire) : pièce de forme en 3-SiC obtenue à partir de la préforme en carbone contenant des inclusions de Si.

La figure 4 montre la distribution du volume poreux pour différents diamètres de pores obtenu par intrusion de mercure des échantillons décrits à l'exemple 4 (échantillon élaboré par le procédé selon l'invention) : - Courbe A (pointillée) : billes de carbone, - Courbe B (ligne noire) : billes de 3-SiC obtenues à partir de ces billes de carbone.

La figure 5 montre le diffractogramme aux rayons X d'un échantillon de 3-SiC selon l'exemple 5. La figure 6 montre la distribution du volume poreux pour différents diamètres de pores obtenue par intrusion de mercure des échantillons selon l'invention décrits à l'exemple 5 : - Courbe A (pointillée) : préforme de résine contenant des inclusions de silicium, après séchage à 150°C, - Courbe B (traits interrompus) : préforme en carbone contenant des inclusions de silicium, obtenue par pyrolyse de la résine, - Courbe C (ligne noire) : pièce de forme en [3-SiC obtenue à partir de la préforme en carbone contenant des inclusions de silicium. La figure 7 montre des micrographies enregistrées par microscopie électronique à balayage des produits en [3-SiC obtenus selon l'exemple 2 (figure 7a), selon l'exemple 5 (figure 7b) et selon l'exemple 1 (figure 7c). La barre en bas à droite de chaque micrographie indique 100 nm. La figure 8 montre la distribution du volume poreux pour différents diamètres de pores obtenu par intrusion de mercure des échantillons selon l'état de la technique décrits à l'exemple 6. La courbe A montre la distribution poreuse d'un support de [3-SiC microporeux, la courbe B montre la distribution poreuse du même support après dépôt de 10% massiques de cobalt finement divisé. Description 1) Définitions et méthodes de caractérisation La définition de la mésoporosité selon IUPAC vise les pores d'un diamètre compris entre 2 nm et 50 nm (voir l'article publié par IUPAC dans Pure & Applied Chemistry, cité ci-dessus, voir aussi l'article « Texture des matériaux pulvérulents ou poreux » par F.

Rouquerol et al., paru dans la collection Techniques de l'Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation, chapitre P 1050). Dans le cadre de la présente invention, la mésoporosité est définie sur la base des pores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm. Les inventeurs ont constaté que pour la catalyse hétérogène, et en particulier pour la catalyse impliquant des molécules lourdes, cette gamme de pores apparaît comme étant optimale pour limiter la diffusion dans les pores tout en générant suffisamment de surface spécifique permettant de disperser la phase active. La technique de caractérisation préférée pour mesurer la distribution de la taille de pores (et en particulier des pores qui contribuent à cette mésoporosité) et pour déterminer le volume mésoporeux est la mesure de la pénétration du mercure (appelée aussi « porosimétrie par intrusion de mercure »).

On peut utiliser l'appareil MicromeriticsTM AUTOPORETM. La résolution de cet appareil peut atteindre 6 nm. Les pores de taille supérieure à 100 nm vont générer peu de surface spécifique, et par exemple un solide ayant des pores de 100 nm et un volume poreux de 0,5 cm3/g aura une surface spécifique maximale de 20 m2/g (en prenant comme modèle des pores de forme cylindrique).

La surface spécifique est mesurée par l'adsorption de l'azote en utilisant le modèle de Brunauer, Emmet et Teller (appelée surface spécifique BET), décrit initialement dans J. American Chemical Society, vol. 60, p. 309-319 (1939) et bien connu de l'homme du métier (voir par exemple l'article précité de F. Rouquerol et al., ou le livre « Adsorption » de K. Hauffe et S.R. Morrison, Berlin 1974, p.19-23). Cette mesure a fait l'objet de la norme NF X 11-621 ; elle peut être effectuée sur un appareil Micromeritics Tristar 3000.

La surface microporeuse est déterminée par un tracé appelé t-plot en déduisant la surface externe. La méthode t-plot (ou « méthode t ») selon de Boer permet de déterminer le volume microporeux d'un solide ainsi que son aire externe. L'aire externe est l'étendue de la surface d'un solide non poreux, macroporeux ou mésoporeux (excluant la contribution des micropores). Dans le cas d'un absorbant contenant des micropores, on peut comparer la valeur de l'aire BET et l'aire externe, habituellement noté a(t), sur laquelle peut se former une couche multimoléculaire avec la pression relative d'équilibre ; l'épaisseur t de cette couche augmente avec la pression d'équilibre. La différence entre l'aire BET et l'aire externe est la surface apportée par les micropores. Une description détaillée de la technique est donnée dans l'article « Texture des matériaux pulvérulents ou poreux » par F. Rouquerol et al., paru dans la collection Techniques de l'Ingénieur, Traite Analyse et Caractérisation, chapitre P 1050. 2) Description détaillée Les inventeurs ont constaté que le procédé de synthèse de produits de forme en 3-SiC par les méthodes de synthèse à mémoire de forme selon l'état de la technique conduisent à des produits en 3-SiC qui ne conviennent pas pour certaines applications catalytiques en phase liquide ou impliquant des molécules lourdes. Ils ont constatés par ailleurs qu'un aspect critique pour ces applications est la distribution et le volume mésoporeux : un support en 3-SiC présentant un volume mésoporeux élevé convient mieux qu'un support en 3-SiC présentant une microporosité élevée, cette dernière étant particulièrement souhaitable dans des réactions gazeuses impliquant des molécules simples (par exemple la dépollution des gaz d'échappement, voir par exemple WO 2005/038204).

Plus particulièrement, les procédés décrits dans le document US 6,184,178 et dans la publication de P.Nguyen et C.Pham précités, qui impliquent les étapes suivantes : (i) Combiner de la poudre de silicium avec une résine thermoplastique ou thermodurcissante carbonisable en ajoutant éventuellement des additifs tels que d'autres sources de carbone (par exemple : noir de carbone, noir d'acétylène, charbon actif), des porogènes, des plastifiants, des lubrifiants ; (ii) Mettre en forme ce mélange ; (iii) Soumettre le mélange mis en forme à un cycle thermique qui comprend une étape à basse température à environ 150°C pour sécher et durcir la résine si cette résine est thermodurcissante ; (iv) Soumettre le mélange mis en forme (éventuellement durci à l'étape (iii) à un traitement thermique à une température comprise entre environ 1200°C et environ 1400°C, sous atmosphère non oxydante (argon par exemple) ; conduisent à des produits présentant un volume poreux provenant de la mésoporosité entre 6 nm et 100 nm inférieur à 0,3 cm3/g. Cela est illustré dans les exemples 1 et 2.

Sans vouloir être enfermés dans cette théorie, les inventeurs pensent que dans ce procédé selon l'état de la technique, le réseau mésoporeux est formé par : (a) des lacunes interstitielles entre les particules primaires de SiC, (b) des fissures qui se forment autour des particules de silicium dans la résine de polymère carbonisé, (c) des lacunes interstitielles des additifs (noir de carbone, noir d'acétylène) convertis en 3-SiC, (d) d'autres lacunes et fissures. Comme indiqué ci-dessus, ce procédé connu consiste en la conversion d'une préforme de précurseur de carbone qui comprend en tant que source de silicium des poudres de silicium, en une pièce de forme poreuse de (3-SiC qui convient comme support de catalyseur. Les présents inventeurs ont découvert que lorsque cette préforme comprend des mésopores, ces mésopores sont conservées dans la pièce de forme en f3-SiC. Le choix de ce précurseur est critique. A titre d'exemple, le charbon actif ne convient pas.

Les inventeurs ont découvert que l'on peut utiliser comme préforme mésoporeuse soit une préforme de précurseur de carbone, soit une préforme déjà carbonée. On sait que le carbone poreux (notamment le charbon actif) est principalement microporeux. Il peut être obtenu par la calcination d'un précurseur naturel (bois, charbon etc.) dans une atmosphère inerte, ce qui conduit au charbon de bois et au goudron, puis par l'activation du charbon par la vapeur d'eau ou le CO2. Le charbon actif qui en résulte présente une très haute surface spécifique supérieure à 500 m2/g, et est microporeux (pores de diamètre inférieur à 2 nm). Les essais d'agrandir les pores du charbon actif par activation catalytique ou activation à la vapeur d'eau ou au CO2 n'ont pas permis de contrôler le diamètre des pores et le volume poreux. Les présents inventeurs ont découvert que lorsque l'on utilise pour la synthèse du 0-sic des résines mésoporeuses, la mésoporosité de la résine mésoporeuse était conservée au moins partiellement dans la pièce de f3-SiC. Dans le procédé selon la présente invention, on utilise avantageusement des résines phénoliques, qui sont de préférence des phénoplastes qui résultent de la réaction entre le phénol (possiblement substitué) et le formaldéhyde. Ces résines sont connues en tant que telles, et ont déjà été utilisées pour fabriquer des préformes en carbone par pyrolyse. Elles peuvent notamment être de type résol ou de type novolaque. Les novolaques sont formées en milieu acide avec des rapports molaires de formaldéhyde / phénol inférieurs à 1, par exemple 0,75. Ces sont en général des solides avec un point de fusion jusqu'à 120°C, solubles et fusibles ; elles peuvent être réticulées en ajoutant un agent réticulant, typiquement du hexaméthylène tetramine (HMT), qui se dissout dans le novolaque à l'état fondu et se décompose par hydrolyse. Les résoles sont formées en milieu basique avec des rapports molaires de formaldéhyde / phénol supérieurs à 1 et jusqu'à 3, par exemple 1,5. La réticulation se fait spontanément lors du chauffage ou parfois par ajout d'acide ; elle conduit à un polymère insoluble et infusible. On sait que les résines phénoliques peuvent être converties en une structure carbonée poreuse par carbonisation en atmosphère inerte à partir d'une température d'environ 600°C. Après carbonisation, le solide perd environ 50% de sa masse, et son volume se réduit d'environ 50%. Le produit obtenu présente une structure vitreuse continue avec une surface spécifique de l'ordre de 500 m2/g grâce aux micropores générés par des lacunes entre particules. La taille de pores médiane est en général inférieure à 1 nm. Le carbone qui en résulte n'est en général pas mésoporeux et le volume poreux correspondant aux pores de diamètre compris entre 6 et 100 nm est extrêmement faible. L'activation à haute température (au-dessus de 750°C) sous vapeur d'eau et/ou CO2 conduira à une augmentation du volume microporeux et par conséquent de la surface spécifique ; cela est accompagné d'une perte de masse et conduit à la diminution de la résistance mécanique. Ces résines ne conviennent donc pas telles quelles dans le cadre de la présente invention. Selon l'invention, le carbone mésoporeux peut être fabriqué par pyrolyse d'une résine phénolique mésoporeuse. Une résine phénolique mésoporeuse peut être fabriquée par différents procédés, par exemple par l'ajout d'un porogène à une résine phénolique, suivi de sa réticulation, enlèvement du porogène et carbonisation de la résine phénolique pour obtenir le carbone mésoporeux. Un autre procédé qui peut convenir est décrit dans le brevet US 8,227,518 B1 (British American Tobacco Ltd).

On va donc décrire maintenant en détail le procédé selon l'invention. La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce de forme mésoporeuse en (3-SiC pouvant être utilisée comme support de catalyseur. Ce procédé comporte une étape dans laquelle on obtient une préforme comportant un mélange d'une résine phénolique mésoporeuse avec une source de silicium (de préférence de la poudre de silicium), et une étape dans laquelle on soumet ladite préforme à un traitement thermique sous atmosphère non oxydante afin de transformer ladite résine phénolique mésoporeuse en une pièce mésoporeuse de f3-SiC. Typiquement, la préforme en résine est séchée et réticulée, puis pyrolysée pour former une préforme en carbone mésoporeuse. La transformation en 3-SiC procède par réaction entre le carbone et du silicium, probablement en passant par l'espèce réactive intermédiaire SiO. Le silicium peut être contenu dans la préforme en carbone, par exemple sous la forme de poudre de silicium élémentaire (procédé Dubots, voir EP 0 440 569 B1 ou EP 0 952 889 B1), comme décrit ci-dessus, et/ou sous forme de poudre de silice, et/ou il peut être apporté de l'extérieur, par exemple sous forme de vapeur SiO (procédé Ledoux, voir EP 0 313 480 B1). Selon l'invention, ladite pièce mésoporeuse de (3-SiC présente un volume mésoporeux lié aux pores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm qui est supérieur à 0,30 cm3/g, de préférence supérieur à 0,35 cm3/g, mais pour des réactions impliquant des molécules lourdes comme la réaction Fischer-Tropsch, on préfère un volume mésoporeux supérieur à 0,40 cm3/g ou même supérieur à 0,45 cm3/g. Les inventeurs ont trouvé que la mésoporosité de la résine phénolique était conservée au moins partiellement dans la pièce de f3-SiC. La surface spécifique de la pièce mésoporeuse de (3-SiC selon l'invention est typiquement comprise entre 30 m2/g et 100 m2/g, la plus grande partie de cette surface étant générée par des mésopores d'une taille comprise entre 6 nm et 100 nm, et en particulier par des mésopores d'une taille comprise entre 10 nm et 50 nm. Cette mésoporosité est obtenue à partir d'une préforme de carbone présentant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm d'un volume poreux supérieur à 0,25 cm3 par gramme de carbone (et de préférence supérieur à 0,30 cm3 par gramme de carbone et encore plus préférentiellement supérieur à 0,35 cm3 par gramme de carbone). Une telle préforme mésoporeuse en carbone peut être obtenue à partir d'une résine mésoporeuse carbonisable présentant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm d'un volume poreux supérieur à 0,25 cm3 par gramme de carbone (et de préférence supérieur à 0,30 cm3 par gramme de carbone et encore plus préférentiellement supérieur à 0,35 cm3 par gramme de carbone). Ladite préforme peut contenir un précurseur de silicium, par exemple de la poudre de silicium élémentaire ou de silice. D'une manière générale, si le précurseur de silicium est intégré dans la résine (par exemple sous la forme de poudre de silicium ou poudre de silice), il est avantageux d'ajuster la composition de la résine de manière que la préforme pyrolysée en carbone présente un rapport molaire Si/C d'approximativement 1 ; cet ajustement se fait en tenant compte notamment du rendement en carbone de la résine dans les conditions de pyrolyse. L'homme du métier se rapportera utilement aux exemples d'exécution donnés ci-dessous. D'une manière générale, selon la présente invention, des pièces de forme mésoporeuses de (3-SiC peuvent être obtenues par les procédés suivants : (1) On met en forme une résine carbonisable (typiquement une résine phénolique) pour obtenir une préforme en résine carbonisable mésoporeuse, et on pyrolyse ladite préforme mésoporeuse en atmosphère inerte pour obtenir une préforme en carbone mésoporeux. Ensuite on met ladite préforme en carbone mésoporeux en contact avec une source de SiO gazeux, tel que SiO2, Si ou un mélange des deux, et on transforme la préforme mésoporeuse en une pièce de forme mésoporeuse de (3-SiC à haute température par la réaction du SiO gazeux avec la pièce de forme de carbone mésoporeux. Ce procédé peut être effectué en une seule étape en montée de température continue ou par paliers, pour sécher la résine après la mise en forme, pour pyrolyser la résine, pour former la préforme en carbone et puis pour former le carbure avec la source de SiO gazeux. (2) On élabore une préforme d'une résine phénolique non réticulée ou partiellement réticulée qui contient de la poudre de silicium, et on transforme cette préforme en une pièce de forme mésoporeuse de (3-SiC à haute température sous atmosphère inerte ; la résine phénoplaste peut être partiellement réticulée. (3) On élabore une préforme d'une résine phénolique mésoporeuse partiellement ou totalement réticulée ou d'un carbone mésoporeux, contenant des poudres de silicium et un liant spécifique, ledit liant pouvant être de préférence un précurseur du f3-SiC, tel qu'un mélange de résine phénolique avec des poudres de silicium, et on transforme cette préforme à haute température sous atmosphère inerte en une pièce de forme mésoporeuse de 0-sic.

Dans le charbon actif conventionnel, la structure microporeuse de diamètre < 2 nm telle que définie par IUPAC reflète la nature du précurseur et est généralement considérée comme ayant une forme de fente dérivée de l'espace entre des feuilles liées d'anneaux aromatiques condensés. La nanostructure des matériaux carbones dérivés de résine phénoliques est très différente : elle dérive du procédé de réticulation. Ce procédé conduit à des très petits domaines de résine fortement réticulée qui forment lors de la pyrolyse des micro-domaines denses, très rapprochés, de carbone vitreux. Cette structure conduit à une taille moyenne de pores générée par les lacunes entre particules ; cette taille est de l'ordre de 0,8 nm. Une présentation plus détaillée des matériaux carbonés dérivés de résines phénoliques a été donnée par S.R. Tennison dans Applied Catalysis A: General 173 (1998) 289-311.

Des mésopores de taille supérieure à 2 nm (selon la définition de l'IUPAC) ou de taille supérieure à 6 nm (comme défini dans le cadre de la présente invention) peuvent être introduits dans les matériaux carbonés dérivés des résines phénoliques par un procédé à base de solvant décrit dans le brevet précité US 8,227,518. Dans ce procédé, la résine précurseur de type novolaque et l'agent de réticulation sont dissouts dans le solvant porogène pour créer une masse (mélange précurseur de résine mésoporeuse) qui a typiquement la consistance d'un gel et dont la viscosité dépend plus généralement des proportions de résine et de solvant. Pour former des billes de résine, on disperse cette solution dans de l'huile chaude : le contact avec l'huile chaude initie la réticulation de la résine en surface de la bille et permet de figer sa géométrie. Pour former des blocs de résine, on ajuste la viscosité et on met en forme la masse précurseur de résine mésoporeuse. Le solvant piégé dans la masse précurseur de résine mésoporeuse génère les mésopores ; cette structure mésoporeuse doit être figée par réticulation au moins partielle avant l'enlèvement complète du solvant porogène. Après enlèvement du solvant porogène et carbonisation (sous gaz protecteur, tel que azote ou argon), les préformes (par exemple les billes) mésoporeuses de résine phénolique au moins partiellement réticulée sont transformées par pyrolyse en préformes (par exemple en billes) mésoporeuses de carbone. Un tel matériau mésoporeux est disponible dans le commerce (société MAST Carbon U.K.), notamment sous la forme de billes. Cette forme convient bien pour la présente invention, mais n'est pas la seule possible. On peut également préparer des blocs de résine mésoporeuse de forme quelconque, réduire ces blocs (typiquement par concassage et/ou broyage) en poudre et intégrer cette poudre dans une résine carbonisable et réticulable (par exemple phénolique) qu'on met en forme pour obtenir une préforme (pièce de forme) en résine mésoporeuse, par exemple selon les variantes (1) ou (2) indiquées ci-dessus.

Les préformes, et notamment les billes, mésoporeuses de carbone peuvent être mises en contact avec une fine poudre de silicium (élémentaire) et/ou silice qui agit comme précurseur de SiO gazeux diffusant à l'intérieur de la bille lors de la réaction de carburation. Dans un mode de réalisation préféré, le précurseur de SiO gazeux est le silicium élémentaire. Les particules de silicium sont avantageusement de taille moyenne inférieure à 5 pm (de préférence inférieure à 3 pm) et le mélange peut être mis au point dans un malaxeur de solides à fort cisaillement ou par l'intermédiaire d'une suspension alcoolique des billes de carbone avec les particules de silicium. Lors du séchage de la suspension, les poudres entrent en contact intime avec les billes. Le mélange solide est ensuite chauffé à une température au-dessous de 1400°C (mais suffisante pour former le SiC) sous argon pour transformer les préformes (par exemple les billes) mésoporeuses de carbone en pièces de forme (par exemple en billes) mésoporeuses de f3-SiC. De manière similaire, on peut introduire le précurseur de SiO gazeux (par exemple la poudre de silicium élémentaire ou la poudre de silice) directement dans le mélange précurseur de résine mésoporeuse, on réticule au moins partiellement la résine pour obtenir une préforme mésoporeuse en résine au moins partiellement réticulée, puis on pyrolyse ladite préforme en résine au moins partiellement réticulée pour obtenir la préforme mésoporeuse en carbone. Puis on procède à la carburation de la préforme en carbone dans les conditions indiquées ci-dessus ; au cours de cette étape, le silicium présent dans la résine réagit avec le carbone (probablement par l'intermédiaire de l'espèce gazeuse SiO, mais cette hypothèse n'a pas d'effet limitant sur la portée de l'invention). Dans certains cas il peut être utile de brûler un éventuel excès de carbone. On obtient ainsi des pièces de forme mésoporeuses de (3-SiC qui présentent (i) la forme de la préforme de carbone mésoporeux, et (ii) une mésoporosité similaire à celle de la préforme mésoporeuse en carbone. Comme montré dans les exemples, il est possible de caractériser la mésoporosité (et notamment le volume mésoporeux) pour la pièce de forme en résine au moins partiellement réticulée, pour la pièce de forme en carbone pyrolyse et pour la pièce de forme en f3-SiC.

Dans le procédé selon l'invention, la préforme mésoporeuse en résine au moins partiellement réticulée, la préforme mésoporeuse en carbone et la pièce de forme mésoporeuse en (3-SiC peuvent avoir n'importe quelle forme ; il peut s'agir par exemple de billes (de taille différente), d'extrudés, de pièces cylindriques ou rectangulaires, d'anneaux, de plaquettes, de mousses alvéolaires, de pièces moulées.

L'exemple 4 ci-dessous décrit en détail le matériau mésoporeux de 0-sic qui résulte de la transformation de préformes mésoporeuses de billes de carbone en billes mésoporeuses de 0-sic selon l'invention ; en effet, le diamètre moyen des pores du carbone mésoporeux est maintenu et même légèrement augmenté lorsque le matériau est transformé en carbure de silicium. Un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention pour fabriquer des pièces de forme mésoporeuses en f3-SiC, sous la forme de microbilles, consiste à fabriquer un mélange précurseur de résine phénolique mésoporeuse comprenant des particules de silicium, et de le mettre en forme avant réticulation de la résine, par atomisation ou par un procédé faisant intervenir une émulsion. Dans une variante de ce mode de réalisation, la mise en forme est effectuée par coulage ou moulage.

Après la mise en forme, les phénoplastes mésoporeux comportant les particules de silicium peuvent être transformés en billes mésoporeuses de f3-SiC, de forme sphérique et présentant une surface lisse.

Dans un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention on fabrique une résine phénolique mésoporeuse contenant des particules de silicium et on réticule partiellement le matériau, puis on broie le matériau pour obtenir la taille de particules souhaitée. La résine phénolique mésoporeuse partiellement réticulée et contenant de la poudre de silicium peut être mise en forme par tout procédé connu de l'homme du métier, tel que : l'extrusion, la granulation, le pressage de tablettes, l'atomisation. A titre d'exemple, les poudres peuvent être mises en forme par extrusion avec ajout d'eau et d'un liant pour pièce verte, tel que le PVA ou l'éther de cellulose. Après séchage, la préforme est soumise à un traitement thermique conduisant au frittage des particules de phénoplaste réticulé comprenant des particules de silicium entre eux. La préforme de phénoplaste comprenant des particules de silicium peut ensuite être transformé en pièce de forme en (3-SiC à une température compris entre 1200°C et 1400°C sous atmosphère non oxydante.

Encore une autre voie pour produire des pièces de forme mésoporeuse de (3-SiC consiste en la mise en forme de résine phénolique comportant des particules de silicium, ladite résine phénolique étant entièrement réticulée et broyée, ladite mise en forme se faisant à l'aide d'un liant comportant un mélange de résine phénolique et de silicium, ledit mélange pouvant être composé de résine phénolique partiellement réticulée contenant du silicium. Le produit susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention, à savoir les pièces de forme mésoporeuse de 0-sic, peut être utilisé comme support de catalyseur, notamment dans des réacteurs à lit transporté et/ou fluidisé, ou dans des réacteurs à colonne à bulles en suspension, car on peut préparer des billes en (3-SiC dont la forme peut être parfaitement sphérique avec une surface lisse et une haute résistance à l'attrition. Une utilisation préférée de ces billes est celle comme support de catalyseur pour la réaction Fischer-Tropsch mise en oeuvre dans une colonne à bulles en suspension. Le produit susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention peut également être utilisé sous d'autres formes géométriques, par exemple sous la forme de pièces extrudées, et notamment dans des réacteurs à lit fixe (par exemple pour catalyser la réaction Fischer-Tropsch).

Un avantage inattendu des supports de catalyseur selon l'invention est que compte tenu du volume de pores plus grand (i.e. compte tenu du fait que la mésoporosité est augmentée), la fabrication de catalyseurs par imprégnation des supports par un précurseur de la phase active en phase liquide se trouve facilitée. A titre d'exemple, on sait que pour la préparation de catalyseurs pour la réaction Fischer-Tropsch, une charge en métal (typiquement cobalt) de 20 à 30% massiques est nécessaire. Ce métal est apporté par imprégnation du support par une solution d'un sel du métal visé (cobalt) dans un solvant approprié, suivi du séchage et de la calcination du support, pour transformer ledit sel en oxyde métallique ; cet oxyde est par la suite réduit en métal finement divisé qui forme la phase active. Or, avec les supports selon l'état de la technique, cette imprégnation doit être répétée plusieurs fois pour atteindre la charge en sel métallique nécessaire ; ce problème bien connu notamment des catalyseurs pour la réaction FischerTropsch, qui nécessitent une charge en métal particulièrement élevée, est décrit par exemple dans le brevet US 6,130,184 (Shell). La demanderesse a constaté qu'avec le support mesoporeux selon l'invention, on économise, pour atteindre une charge en sel métallique égale, au moins une opération d'imprégnation. Cela est probablement dû au fait que dans les supports selon l'invention, la pénétration d'un volume de solution de sel métallique plus grand permet, à concentration identique, de déposer une quantité de sel plus élevée dans l'ensemble de la mésoporosité.

Les exemples qui suivent illustrent certains aspects de l'invention pour permettre à l'homme du métier de mettre en oeuvre l'invention, mais ne limitent pas sa portée.

Exemples Les exemples 1 à 3 et 6 illustrent des procédés selon l'état de la technique, à titre de comparaison. Les exemples 4 et 5 illustrent des procédés selon l'invention.

Exemple 1 (comparatif) : Matériau SiC poreux standard. Cet exemple duplique l'exemple 1 du brevet US 6,184,178. On a mélangé 1500 g de poudre de silicium, 448 g de noir de carbone (surface BET = 100 m2/g), 502 g d'une résine phénolique solide, 50 g de hexaméthylène tetramine (agent réticulant), 900 g d'eau et 150 g de plastifiant. Ce mélange a été mis en forme dans une presse à extruder pour obtenir des pièces extrudées de forme cylindrique d'un diamètre de 1 mm et d'une longueur d'environ 3 mm. On a chauffé ces pièces pendant 3 heures à 150°C sous air pour les sécher et durcir la résine phénolique. Ces pièces séchées présentent un volume mésoporeux de 0,01 cm3/g et 0,06 cm3/g pour les pores de diamètre compris entre respectivement 6 nm et 50 nm, et 6 nm et 100 nm. On a chauffé ces pièces séchées sous argon à pression atmosphérique à une température de 800°C afin de pyrolyser la résine et la transformer en carbone. Le matériau obtenu présente un volume mésoporeux de 0,01 cm3/g et 0,07 cm3/g pour les pores d'un diamètre compris respectivement entre 6 nm et 50 nm, et 6 nm et 100 nm. Sa surface spécifique est de 122 m2/g dont 115 m2/g attribuées à des micropores. (La valeur de 0,07 cm3/g correspond à 0,23 cm3 par gramme de carbone pour un rapport molaire C/Si de 1 ; voir le Tableau 1 ).

Les mêmes pièces séchées ont été chauffées sous argon à pression atmosphérique à une température de 1360°C afin de parfaire la pyrolyse de la résine, puis de produire le SiC. Le matériau obtenu présente un volume mésoporeux de 0,17 cm3/g et 0,26 cm3/g pour les pores de diamètre compris respectivement entre 6 nm et 50 nm et 6 nm et 100 nm. Sa surface spécifique BET était de 30 m2/g dont 0 m2/g de surface microporeuse mesurée par la technique du t-plot. Les distributions poreuses mesurées par intrusion de mercure de ces différents échantillons sont reportées sur la figure 2. La figure 7c montre une micrographie (MEB) du produit en 3-SiC obtenu.35 Exemple 2 (comparatif) : Matériau SiC poreux standard. Cet exemple illustre un autre procédé selon l'état de la technique qui utilise comme unique source de carbone une résine phénolique ne présentant pas de mésoporosité suffisante. On a mélangé 1500 g de poudre de silicium, 1181 g d'une résine phénolique solide, 78 g de hexaméthylène tetramine (agent réticulant), 500 g d'eau et 150 g de plastifiant. Ce mélange a été mis en forme dans une presse à extruder pour obtenir des pièces extrudées de forme cylindrique d'un diamètre de 2 mm et d'une longueur d'environ 3 mm.

On a chauffé ces pièces pendant 3 heures à 150°C sous air pour les sécher et durcir la résine phénolique. Ces pièces séchées présentent un volume mésoporeux de 0,01 cm3/g et 0,02 cm3/g pour les pores de diamètre compris entre respectivement 6 nm et 50 nm, et 6 nm et 100nm. On a chauffé ces pièces séchées sous argon à pression atmosphérique à une température de 800°C afin de pyrolyser la résine et la transformer en carbone. Le matériau obtenu présente un volume mésoporeux de 0,04 cm3/g et 0,05 cm3/g pour les pores de diamètre compris respectivement entre 6 nm et 50 nm, et 6 nm et 100 nm. Sa surface spécifique est de 239 m2/g dont 238 m2/g attribuée à des micropores.

Les mêmes pièces séchées ont été chauffées sous argon à pression atmosphérique à une température de 1360°C afin de pyrolyser la résine, puis de produire le SiC. Le matériau obtenu présente un volume mésoporeux de 0,18 cm3/g et 0,24 cm3/g pour les pores de diamètre compris respectivement entre 6 nm et 50 nm et 6 nm et 100 nm. Sa surface spécifique mesurée par la technique BET était de 21 m2/g dont 0 m2/g de surface microporeuse mesurée par la technique du t-plot. Les distributions poreuses (mesurées par intrusion de mercure) de ces différents échantillons sont reportées sur la figure 3. La figure 7a montre une micrographie (MEB) du produit en 3-SiC obtenu.

On note dans cet exemple l'évolution importante de la structure entre la pièce de carbone, à très haute surface spécifique BET mais à faible mésoporosité, et la pièce en (3-SiC qui présente une faible surface spécifique BET microporeuse mais une mésoporosité relativement élevée ; selon les constatations des présents inventeurs, cette valeur ne peut être dépassée qu'en utilisant une résine mésoporeuse.

Exemple n° 3 (comparatif) : Matériau SiC poreux standard. Cet exemple reproduit l'exemple n° 2, mais en utilisant une quantité supérieure de résine phénolique dans le mélange initial.

Ainisi, on a mélangé 1500 g de poudre de silicium, 1235 g d'une résine phénolique solide, 78 g de hexaméthylène tetramine (agent réticulant), 550 g d'eau et 150 g de plastifiant. Ce mélange a été mis en forme dans une presse à extruder pour obtenir des pièces extrudées de forme cylindrique d'un diamètre de 2 mm et d'une longueur d'environ 3 mm. On a chauffé ces pièces pendant 3 heures à 150°C sous air pour les sécher et durcir la résine phénolique, puis on a chauffé sous argon à pression atmosphérique à une température de 1360°C afin de pyrolyser la résine, puis de produire le SiC. Le matériau obtenu présente un volume mésoporeux de 0,12 cm3/g et 0,17 cm3/g pour les pores de diamètre compris respectivement entre 6 nm et 50 cm et 6 nm et 100 nm. Sa surface spécifique mesurée par la technique BET était de 57 m2/g dont 32 m2/g de surface microporeuse mesurée par la technique du t-plot. La haute surface spécifique est majoritairement constituée de surface microporeuse attribuée à la présence de carbone résiduel dans le matériau. Le carbone résiduel a ensuite été brûlé par un traitement thermique sous air à 700°C. Le matériau présentait ensuite un volume mésoporeux de 0,15 cm3/g et 0,21 cm3/g pour les pores de diamètre compris respectivement entre 6 nm et 50 cm et 6 nm et 100 nm. Sa surface spécifique mesurée par la technique BET n'était plus que de 18 m2/g, dont 2 m3/g de surface microporeuse mesurée par la technique de t-plot. Cet exemple démontre que la surface spécifique BET n'est pas un critère suffisant pour démontrer la présence d'un volume mésoporeux élevé. En revanche, l'écart entre la surface BET et la surface microporeuse mesurée par la technique du t-plot donne une meilleure indication de la quantité de mésopores. Exemple 4 (selon l'invention) : Billes mésoporeuses de (3-SiC à partir de billes mésoporeuses de carbone.

On a approvisionné des billes de carbone de diamètre compris entre 90 pm et 125 pm présentant une surface spécifique BET de 560 m2/g (fournisseur : MAST Carbon, Basingstoke, UK ; référence commerciale : TE5). Ces billes avaient été préparées à partir d'une résine mésoporeuse.

On a déterminé la taille moyenne des pores de ces billes de carbone par adsorption d'azote, elle était de 13 nm. Leur volume mésoporeux était de 0,24 cm3/g et 0,28 cm3/g pour les pores de diamètre compris respectivement entre 6 nm et 50 nm et 6 nm et 100 nm. Leur surface BET était de 560 m2/g dont 463 m2/g attribués aux micropores. 100 parties massiques de ces billes de carbone ont été mélangées avec 466 parties massiques de poudre de silicium micronisé (d50 < 1 pm) dans de l'éthanol pour obtenir une pâte homogène. Après l'évaporation du solvant on a étalé le mélange solide sur une plaque en graphite qui a été placée dans un four électrique sous atmosphère contrôlée.

Le four était balayé par l'argon et chauffé à 1360°C ; on a maintenu cette température pendant 1 heure. On a laissé refroidir, puis la poudre qui en résultait a été tamisée et lavée avec de l'eau distillée. La fraction tamisée avec une taille de grain comprise entre 50 pm et 150 pm a été lavée avec une solution aqueuse de 20 parties massiques de NaOH à 70°C afin d'éliminer des restes de silice qui aurait pu être produite au cours du procédé. Le solide ainsi obtenu présentait la structure cristallographique du 3-SiC, comme on le voit sur la figure 1 ; il présentait un volume mésoporeux de 0,19 cm3/g et 0,20 cm3/g pour les pores de diamètre compris respectivement entre 6 nm et 50 nm et 6 nm et 100 nm. Sa surface spécifique mesurée par la technique BET était de 58 m2/g dont 0 m2/g de surface microporeuse mesurée par la technique du t-plot. Les courbes de distribution poreuse (mesurée par intrusion de mercure) de la figure 4 comparent le matériau carboné initial avec le matériau SiC obtenu après traitement thermique en présence d'une source de silicium. Cette figure démontre que la méso- structure initiale du carbone est quasiment totalement conservée après transformation en SiC, avec un léger décalage de la courbe de distribution vers les diamètres poreux plus larges.Cet exemple démontre que l'on peut convertir une préforme carbonée mésoporeuse en pièce de forme SiC mésoporeuse par l'apport d'une source extérieure de silicium. Dans ce cas, on assiste à une diminution d'un facteur 1,4 du volume mésoporeux poreux entre le carbone initial et le SiC final. De façon surprenante, cette diminution est faible par rapport à la perte théorique de 3,3 attendue d'après le rapport des masses molaires entre le carbone de départ et le SiC final. On a constaté que l'utilisation d'une préforme de carbone présentant un volume mésoporeux plus élevé conduit, après conversion en SiC selon cette voie décrit dans le présent exemple 4, à un SiC dont le volume mésoporeux est lui aussi augmenté, et notamment supérieur à 0,30 cc/g si l'on utilise une préforme carbonée dont le volume mésoporeux est supérieur à 0,45 cc/g.

Exemple 5 (selon l'invention) : Pièce de forme mésoporeuse de (3-SiC à partir de résine mésoporeuse comportant une poudre de silicium.

Une résine phénolique mésoporeuse contenant une dispersion de poudres de silicium a été fabriquée. Sa composition était ajustée de manière à produire après pyrolyse 100 parties massiques de carbone mésoporeux, et elle comportait 233 parties massiques de poudres de silicium avec une taille de particules de d50 = 2,5 pm. Après mise en forme, la résine a été chauffée pendant 3 heures à 150°C sous air pour sécher et durcir la résine.

Le produit sec ainsi obtenu présentait un volume mésoporeux de 0,40 cm3/g et 0,50 cm3/g pour les pores de diamètre compris entrer 6 nm et 50 nm et entre 6 nm et 100 nm, respectivement. On a ensuite chauffé ces pièces sous argon à pression atmosphérique à une température de 800°C afin de pyrolyser la résine et la transformer en carbone. Le matériau obtenu présentait un volume mésoporeux de 0,32 cm3/g et de 0,48 cm3/g pour les pores d'un diamètre compris entre 6 nm et 50 nm et entre 6 nm et 100 nm, respectivement. Sa surface spécifique était de 145 m2/g dont 112 m2/g attribués à des micropores. Ces pièces en carbone ont été chauffées à 1360°C pendant 1 heure dans un four électrique sous flux d'argon à pression atmosphérique, afin de produire le SiC. Après refroidissement, le matériau a été analysé par diffraction des rayons X, ce qui mettait en évidence la phase cristalline (3-SiC et un peu de silicium résiduel (figure 5). Ce matériau présentait un volume mésoporeux de 0,43 cm3/g et 0,62 cm3/g pour les pores de diamètre compris entre 6 nm et 50 cm et entre 6 nm et 100 nm, respectivement. Sa surface spécifique déterminée par la technique BET était de 48 m2/g dont 4 m2/g de surface microporeuse mésurée par la technique du t-plot. Les distributions poreuses (déterminées par intrusion de mercure) de ces différents échantillons sont reportées sur la figure 6. On note le déplacement du pic de la distribution des diamètres de mésopores vers des diamètres plus élevés lorsque l'on passe de la préforme en résine au moins partiellement réticulée (A) vers la préforme en carbone (B) et enfin vers la pièce de forme en 0-sic (C). La figure 7b montre une micrographie (MEB) du produit en 3-SiC obtenu.

Tableau 1 Exemple Echantillon Volume mésoporeux [cm3/g] Surface Surface (par intrusion de mercure) BET [m3/g] micro- Diamètre de Diamètre de poreuse pores pores (déterminée 6 nm - 50 nm 6 nm - 100 nm par t-plot) [m3/g] 1 « Résine » 0,01 0,06 ND ND «Carbone » 0,01 (0,03) 0,07 (0,23) 122 115 SiC 0,17 0,26 30 0 2 « Résine » 0,01 0,02 ND ND « Carbone» 0,04 (0,13) 0,05 (0,17) 239 238 SiC 0,18 0,24 21 0 3 SiC (1) 0,12 0,17 57 32 SiC (2) 0,15 0,21 18 2 4 « Carbone» 0,24 0,28 560 463 SiC 0,19 0,20 58 0 « Résine » 0,40 0,50 ND ND « Carbone» 0,32 (1,07) 0,48 (1,60) 145 112 SiC 0,43 0,62 48 à 60 4 « Résine » signifie : échantillon (pouvant, le cas échéant, contenir du silicium) séché et réticulé. « Carbone» signifie : échantillon pyrolyse (pouvant, le cas échéant, contenir du silicium) Les valeurs du volume mésoporeux sont « telles que mesurées sur l'échantillon », les valeurs entre parenthèses ont été recalculées en « cm3 par gramme de carbone » en multipliant les « valeurs telles que mésurées sur l'échantillon » par (28+12)/12, sachant que le rapport molaire Si/C dans les préformes de carbone est d'environ 1. « SiC » signifie : matériau final p-sic. « ND » signifie : non déterminé. « SiC(1) » signifie : tel qu'obtenu, avec excès de carbone « SiC(2) » signifie : après combustion du carbone excédentaire. Exemple 6 (comparatif) : 5 On a préparé un catalyseur 10%Co/SiC comprenant une phase active de cobalt (déposée par un procédé décrit plus en détail ci-dessous) sur un support de p-siC microporeux présentant une surface spécifique BET d'environ 58 m2/g, dont 27 m2/g de micropores.

Après le dépôt de la phase active sur le support qui se présentait sous la forme de grains, la surface spécifique mesurée n'était plus que de 24 m2/g. La figure 8 montre les distributions poreuses de l'échantillon SiC de départ (courbe A), ainsi que celle du catalyseur après dépôt de 10% en masse de Co (courbe B). Les pores de faible diamètre (micropores) présents sur le support d'origine ont disparu après dépôt de la phase active, et ne sont donc d'aucune utilité pour la réaction catalytique Fischer-Tropsch ou une autre réaction faisant intervenir au moins une phase liquide ; en revanche, leur contribution à la surface BET est importante. Cet exemple montre donc que la microporosité du support n'est pas un paramètre important pour un catalyseur très fortement chargé en phase active (comme le sont habituellement les catalyseurs utilisés pour la synthèse Fischer- Tropsch), car la phase active a tendance à boucher l'accès aux micropores. Dans l'exemple, la charge de 10% de Co est plutôt faible pour un catalyseur Fischer-Tropsch. Dans cet exemple, la phase active de cobalt a été déposée par le procédé suivant : On a préparé une solution aqueuse de nitrate de cobalt que l'on imprègne sur le SiC par la méthode du volume poreux. La concentration de nitrate de cobalt est calculée de manière à obtenir la charge souhaitée en cobalt dans le catalyseur final. Le solide a ensuite été séché à l'air ambiant pendant 4h, puis en étuve à 110°C pendant 8h. Il a subi ensuite une calcination sous air à 350°C (pente de 1°C/min) pendant 2 heures afin d'obtenir le précurseur oxyde du catalyseur, Co304/SiC. Le catalyseur 10%Co a été obtenu par réduction du précurseur oxyde sous flux d'hydrogène à 300°C (pente de 3°C/min) pendant 6 heures.25

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une pièce de forme en (3-SiC comportant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm représentant un volume mésoporeux (déterminé par porosimétrie à intrusion de mercure) supérieur à 0,30 cm3/g et de préférence supérieur à 0,35 cm3/g, ledit procédé comprenant la transformation d'une préforme mésoporeuse de carbone avec au moins une source de silicium en carbure de silicium ((3-SiC), ladite source de silicium pouvant être incorporée dans ladite préforme ou apportés de l'extérieur, ladite transformation étant effectuée sous atmosphère non oxydante à une température de préférence comprise entre 1100°C et 1400°C, ladite préforme de carbone présentant des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm d'un volume mésoporeux supérieur à 0,25 cm3 par gramme de carbone (de préférence supérieur à 0,35 cm3 par gramme de carbone, et encore plus préférentiellement supérieur à 0,45 cm3 par gramme de carbone).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comporte les étapes de (a) pyrolyser un précurseur mésoporeux de carbone comportant au moins une source de silicium pour obtenir une préforme mésoporeuse en carbone comportant du silicium ; (b) transformer ladite préforme mésoporeuse en (3-SiC mésoporeux par réaction avec des matériaux comportant du silicium sous atmosphère non oxydante à une température de préférence comprise entre 1100°C et 1400°C.
3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite préforme mésoporeuse de carbone a été élaborée à partir d'un précurseur mésoporeux de carbone qui est une résine phénolique mésoporeuse, de préférence un phénoplaste, et encore plus préférentiellement sélectionné dans le groupe formé par les résoles mésoporeux, les novolaques mésoporeux et des mélange des deux.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite source de silicium est sélectionnée dans le groupe formé par le silicium métallique, la silice, les composés de silicium, et leurs mélanges.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite source de silicium est intimement mélangée avec ledit précurseur de carbone mésoporeux.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on prépare une préforme à partir du mélange entre ledit précurseur de carbone mésoporeux et ladite source de silicium.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ladite source de silicium est incorporée dans ledit précurseur de carbone mésoporeux avant la mise en forme conduisant à ladite préforme.
8. 8. Procédé selon la revendication 6 ou selon la revendication 7 dépendante de la revendication 6, caractérisé en ce que ladite préforme est obtenue par un procédé de mise en forme sélectionnée dans le groupe formé par l'extrusion, le pressage de pâte, l'atomisation, la granulation, le broyage, le pressage de poudre, l'émulsion, le coulage en moule, le revêtement, ou par une combinaison de ces procédés.
9. 9. Procédé selon la revendication 6, ou selon la revendication 7 dépendante de la revendication 6, ou selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit précurseur de carbone mésoporeux se présente avant la mise en forme conduisant à ladite préforme sous une forme réticulée, partiellement réticulée, et/ou non réticulée.
10. 10. Pièce de forme en (3-SiC susceptible d'être obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle présente des mésopores d'un diamètre compris entre 6 nm et 100 nm correspondant à un volume mésoporeux d'au moins 0,35 cm3/g, de préférence d'au moins 0,40 cm3/g et encore plus préférentiellement d'au moins 0,45 cm3/g (déterminé par porosimétrie à intrusion de mercure).
11. 11. Pièce de forme selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle présente une surface mésoporeuse d'au moins 20 m2/g, de préférence d'au moins 30 m2/g et encore plus préférentiellement d'au moins 45 m2/g.
12. 12. Utilisation d'une pièce de forme selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11 comme support de catalyseur pour des réactions faisant intervenir au moins une phase liquide.
13. 13. Utilisation selon la revendication 12, pour des réactions en milieu agressif, et en particulier pour des réactions visant la conversion de biomasse.
14. 14. Utilisation d'une pièce de forme selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11 comme support de catalyseur pour la réaction de Fischer-Tropsch.