FR3053898A1 - PROCESS FOR PREPARING AN IRRADIATION-ASSISTED COBALT COMPOSITION - Google Patents
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Abstract
Procédé de préparation par condensation photo-assistée d'une composition comprenant un support contenant un semi-conducteur présentant à sa surface des particules de cobalt à l'état métallique, lequel procédé comprend les étapes suivantes : a) on fournit un support contenant un semi-conducteur et on le met en suspension dans une phase non-aqueuse sous agitation comprenant un précurseur soluble de cobalt ; b) on irradie la suspension obtenue à l'étape a) par une source d'irradiation de manière à ce qu'au moins une partie du spectre d'émission de ladite source d'irradiation soit composée de photons d'énergies supérieures à la largeur de bande interdite dudit semi-conducteur.A process for the preparation by photo-assisted condensation of a composition comprising a support containing a semiconductor having on its surface particles of cobalt in the metallic state, which process comprises the following steps: a) a support containing a semi -conductor and suspending it in a non-aqueous phase with stirring comprising a soluble cobalt precursor; b) the suspension obtained in step a) is irradiated with an irradiation source so that at least a part of the emission spectrum of said irradiation source is composed of photons of energies greater than the bandgap width of said semiconductor.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE® FRENCH REPUBLIC
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 053 898 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)NATIONAL INSTITUTE OF INDUSTRIAL PROPERTY © Publication number: 3,053,898 (to be used only for reproduction orders)
©) N° d’enregistrement national : 16 56741©) National registration number: 16 56741
COURBEVOIE © Int Cl8 : B 01 J 23/75 (2017.01), B 01 J 37/34, 37/02, B 82 Y 40/00COURBEVOIE © Int Cl 8 : B 01 J 23/75 (2017.01), B 01 J 37/34, 37/02, B 82 Y 40/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1A1 PATENT APPLICATION
Pty PROCEDE DE PREPATION D'UNE COMPOSITION A BASE DE COBALT ASSISTE PAR IRRADIATION.Pty PROCESS FOR PREPARING A COMPOSITION BASED ON COBALT ASSISTED BY IRRADIATION.
FR 3 053 898 - A1FR 3 053 898 - A1
Procédé de préparation par condensation photo-assistée d'une composition comprenant un support contenant un semi-conducteur présentant à sa surface des particules de cobalt à l'état métallique, lequel procédé comprend les étapes suivantes:Process for the preparation by photo-assisted condensation of a composition comprising a support containing a semiconductor having on its surface particles of cobalt in the metallic state, which process comprises the following steps:
a) on fournit un support contenant un semi-conducteur et on le met en suspension dans une phase non-aqueuse sous agitation comprenant un précurseur soluble de cobalt;a) providing a support containing a semiconductor and suspending it in a non-aqueous phase with stirring comprising a soluble cobalt precursor;
b) on irradie la suspension obtenue à l'étape a) par une source d'irradiation de manière à ce qu'au moins une partie du spectre d'émission de ladite source d'irradiation soit composée de photons d'énergies supérieures à la largeur de bande interdite dudit semi-conducteur.b) the suspension obtained in step a) is irradiated with an irradiation source so that at least part of the emission spectrum of said irradiation source is composed of photons of energies greater than the prohibited bandwidth of said semiconductor.
PROCEDE DE PREPATION D’UNE COMPOSITION A BASE DE COBALT ASSISTE PAR IRRADIATIONPROCESS FOR PREPARING A COMPOSITION BASED ON IRRADIATION ASSISTED COBALT
Domaine de l’inventionField of the invention
L’invention concerne un procédé de préparation d’une composition assistée par irradiation utilisable en tant que catalyseur, notamment pour le procédé de synthèse Fischer-Tropsch.The invention relates to a process for the preparation of an irradiation-assisted composition which can be used as a catalyst, in particular for the Fischer-Tropsch synthesis process.
Etat de la techniqueState of the art
La préparation de catalyseur assistée par irradiation est connue de l’état de la technique. Par exemple, X. Wang et al. (Advanced Materials Research, vol. 148-149, p. 1258, 2001) et M.C. Hidalgo et al. (Applied Catalysis A: General, vol 397, p. 112, 2012) proposent plusieurs voies de synthèse de catalyseur comprenant des nanoparticules d’or en tant que phase active déposées sur un semi-conducteur en TiO2 par photo-déposition dans une suspension aqueuse contenant du HAuCI4 en tant que précurseur d’or, et de l’éthanol ou de l’isopropanol en tant qu’agent sacrificiel.The preparation of catalyst assisted by irradiation is known from the state of the art. For example, X. Wang et al. (Advanced Materials Research, vol. 148-149, p. 1258, 2001) and MC Hidalgo et al. (Applied Catalysis A: General, vol 397, p. 112, 2012) propose several catalyst synthesis routes comprising gold nanoparticles as active phase deposited on a TiO 2 semiconductor by photo-deposition in a suspension aqueous containing HAuCI 4 as a gold precursor, and ethanol or isopropanol as a sacrificial agent.
D’autre part, F. Zhang et al. (Catalysis today, vol. 93, p. 645, 2004) proposent une voie de synthèse de catalyseur comprenant des nanoparticules de palladium sur un semi-conducteur en TiO2 par photo-déposition dans une suspension aqueuse contenant du Na2PdCI4 en tant que précurseur de palladium, et de l’éthanol en tant qu’agent sacrificiel.On the other hand, F. Zhang et al. (Catalysis today, vol. 93, p. 645, 2004) propose a catalyst synthesis route comprising palladium nanoparticles on a TiO 2 semiconductor by photo-deposition in an aqueous suspension containing Na 2 PdCI 4 as as a palladium precursor, and ethanol as a sacrificial agent.
De même, F. Zhang et al. (Langmuir, vol. 19, p. 8230, 2003) proposent une voie de synthèse de catalyseur comprenant des nanoparticules d’argent sur un semi-conducteur en TiO2 par photo-déposition dans une suspension aqueuse contenant AgNO3 en tant que précurseur de palladium, l’eau en tant que solvant jouant le rôle d’agent sacrificiel.Likewise, F. Zhang et al. (Langmuir, vol. 19, p. 8230, 2003) propose a catalyst synthesis route comprising silver nanoparticles on a TiO 2 semiconductor by photo-deposition in an aqueous suspension containing AgNO 3 as a precursor of palladium, water as a solvent acting as a sacrificial agent.
Enfin, F. Zhang et al. (Langmuir, vol. 20, p. 9329, 2004) proposent une voie de synthèse de catalyseur comprenant des nanoparticules de platine sur un semi-conducteur en TiO2 par photo-déposition dans une suspension aqueuse contenant du K2PtCI6 en tant que précurseur de palladium, et de l’éthanol en tant qu’agent sacrificiel.Finally, F. Zhang et al. (Langmuir, vol. 20, p. 9329, 2004) propose a catalyst synthesis route comprising platinum nanoparticles on a TiO 2 semiconductor by photo-deposition in an aqueous suspension containing K 2 PtCI 6 as palladium precursor, and ethanol as a sacrificial agent.
Cependant, il n’existe à ce jour aucune méthode de synthèse assistée par irradiation de catalyseur à base de nanoparticules de cobalt supportées. En effet, quand bien même cette méthode est connue pour le dépôt de phases de métaux nobles, la photo-déposition de cobalt, moins facilement réductible que les métaux nobles n’a jusqu’alors pas été effectuée. Des dépôts photo-assistés de phosphates de cobalt sur des supports en Fe2O3 et TiO2 ont été décrits dans la littérature (et. K.J. McDonald et al. Chemistry of materials, vol. 23, p. 1686, 2011 ; L. Lin et al. Science China Chemistry, vol. 55, p. 1976, 2012). Ces méthodes consistent en l’oxydation d’ions Co2+ en solution aqueuse en ions Co3+ stabilisés par des ions phosphates (Pi) pour former une phase Co-Pi sous forme de particules en surface d’un semi3053898 conducteur. Néanmoins, cette méthode de dépôt ne propose pas un moyen de réduire les ions cobalt en particules métalliques de cobalt.However, to date there is no synthesis method assisted by irradiation of catalyst based on supported cobalt nanoparticles. Indeed, even though this method is known for the deposition of noble metal phases, the photo-deposition of cobalt, less easily reducible than the noble metals has not hitherto been carried out. Photo-assisted deposits of cobalt phosphates on Fe 2 O 3 and TiO 2 supports have been described in the literature (and. KJ McDonald et al. Chemistry of materials, vol. 23, p. 1686, 2011; L. Lin et al. Science China Chemistry, vol. 55, p. 1976, 2012). These methods consist of the oxidation of Co 2+ ions in aqueous solution to Co 3+ ions stabilized by phosphate ions (Pi) to form a Co-Pi phase in the form of particles on the surface of a conductive semi3053898. However, this deposition method does not provide a way to reduce cobalt ions to metal particles of cobalt.
La demanderesse a mis au point un nouveau procédé de préparation d’une composition, utilisable en tant que catalyseur, à base de nanoparticules de cobalt supportées, assisté par irradiation, lequel procédé différant des procédés de préparation assistés par irradiation connus de l’art antérieur en ce que le procédé de préparation se déroule en milieu nonaqueux, permettant notamment la réduction des ions Co2+ ou Co3+ dissous plutôt que la réduction des protons H+ présents en milieu aqueux pour former du dihydrogène à la place du cobalt métallique.The Applicant has developed a new process for the preparation of a composition, usable as a catalyst, based on supported cobalt nanoparticles, assisted by irradiation, which process differing from the preparation processes assisted by irradiation known from the prior art in that the preparation process takes place in a nonaqueous medium, allowing in particular the reduction of dissolved Co 2+ or Co 3+ ions rather than the reduction of H + protons present in an aqueous medium to form dihydrogen in place of metallic cobalt.
Le procédé de préparation selon l’invention permet de manière simplifiée d’obtenir un catalyseur à base de particules de cobalt à l’état métallique en surface d’un support semiconducteur, et cela avec un nombre d’étapes diminué par rapport à l’art antérieur. On entend par « cobalt à l’état métallique » du cobalt au degré d’oxydation zéro (et donc sous forme de métal).The preparation process according to the invention makes it possible in a simplified manner to obtain a catalyst based on cobalt particles in the metallic state on the surface of a semiconductor support, and this with a reduced number of steps compared to the prior art. "Metallic cobalt" means cobalt with a zero oxidation state (and therefore in the form of metal).
Objets de l’inventionObjects of the invention
Un premier objet selon l’invention concerne un procédé de préparation par condensation photo-assistée d’une composition comprenant un support contenant un semi-conducteur présentant à sa surface des particules de cobalt à l’état métallique, lequel procédé comprend les étapes suivantes :A first object according to the invention relates to a process for the preparation by photo-assisted condensation of a composition comprising a support containing a semiconductor having on its surface particles of cobalt in the metallic state, which process comprises the following steps:
a) on fournit un support contenant un semi-conducteur et on le met en suspension dans une phase non-aqueuse sous agitation comprenant un précurseur soluble de cobalt ;a) providing a support containing a semiconductor and suspending it in a non-aqueous phase with stirring comprising a soluble cobalt precursor;
b) on irradie la suspension obtenue à l’étape a) par une source d’irradiation de manière à ce qu’au moins une partie du spectre d’émission de ladite source d’irradiation soit composée de photons d’énergies supérieures à la largeur de bande interdite dudit semi-conducteur ;b) the suspension obtained in step a) is irradiated with an irradiation source so that at least part of the emission spectrum of said irradiation source is composed of photons of energies greater than the prohibited bandwidth of said semiconductor;
c) éventuellement, on sépare au moins partiellement la composition de la suspension issue de l'étape b) ;c) optionally, the composition of the suspension from step b) is at least partially separated;
d) éventuellement, on sèche la composition obtenue à l’étape c) ;d) optionally, the composition obtained in step c) is dried;
e) éventuellement, on soumet la composition séchée obtenue à l’étape d) à un traitement thermique.e) optionally, the dried composition obtained in step d) is subjected to a heat treatment.
Avantageusement, le semi-conducteur est choisi parmi un semi-conducteur inorganique ou organique-inorganique.Advantageously, the semiconductor is chosen from an inorganic or organic-inorganic semiconductor.
De préférence, le semi-conducteur est choisi parmi TiO2, Ce2O3, CeO2, WO3, ZrO2, CoTi03, NiTiO3, FeTiO3, CuTiO3, MnTiO3, ZnTiO3, ZnO, ZnFe2O4, ZrO2, CoAI204, NiAI2O4, FeAI2O4, MnAI2O4, Co2Si04, Ni2SiO2, Fe2SiO4, AITiO3, SiC seuls ou en mélange.Preferably, the semiconductor is chosen from TiO 2 , Ce 2 O 3 , CeO 2 , WO 3 , ZrO 2 , CoTi0 3 , NiTiO 3 , FeTiO 3 , CuTiO 3 , MnTiO 3 , ZnTiO 3 , ZnO, ZnFe 2 O 4 , ZrO 2 , CoAI 2 0 4 , NiAI 2 O 4 , FeAI 2 O 4 , MnAI 2 O 4 , Co 2 Si0 4 , Ni 2 SiO 2 , Fe 2 SiO 4 , AITiO 3 , SiC alone or as a mixture.
De préférence, le taux de chargement du semi-conducteur dans la phase non-aqueuse est compris entre 0,1 et 500 g/L.Preferably, the loading rate of the semiconductor in the non-aqueous phase is between 0.1 and 500 g / L.
De préférence, la phase non-aqueuse est choisie parmi les alcools, les aldéhydes ou les amines.Preferably, the non-aqueous phase is chosen from alcohols, aldehydes or amines.
Avantageusement, lesdites particules de cobalt à l’état métallique se présentent sous la forme de particules de tailles comprises entre 0,5 nm et 1000 nm.Advantageously, said particles of cobalt in the metallic state are in the form of particles of sizes between 0.5 nm and 1000 nm.
De préférence, le précurseur soluble de cobalt est le nitrate de cobalt, l’acétate de cobalt ou un acétylacétonate de cobalt.Preferably, the soluble cobalt precursor is cobalt nitrate, cobalt acetate or a cobalt acetylacetonate.
Avantageusement, la teneur en cobalt à l’état métallique est comprise entre 0,1 et 40% en poids par rapport au poids total de la composition.Advantageously, the content of cobalt in the metallic state is between 0.1 and 40% by weight relative to the total weight of the composition.
De préférence, la phase non-aqueuse comprend en outre un agent sacrificiel choisi parmi les alcools, les aldéhydes ou les amines.Preferably, the non-aqueous phase also comprises a sacrificial agent chosen from alcohols, aldehydes or amines.
Avantageusement, le ratio molaire entre l’agent sacrificiel et le précurseur de cobalt est supérieure à 1, de préférence compris entre 1 et 5.Advantageously, the molar ratio between the sacrificial agent and the cobalt precursor is greater than 1, preferably between 1 and 5.
La source d’irradiation est une source d’irradiation artificielle ou naturelle.The source of radiation is a source of artificial or natural radiation.
Avantageusement, dans l’étape c), la séparation est effectuée par centrifugation.Advantageously, in step c), the separation is carried out by centrifugation.
De préférence, dans l’étape d), le séchage est effectué entre 30°C et 200°C. Avantageusement, la composition séchée obtenue à l’étape d) est soumise à un traitement thermique sous hydrogène à une température entre 50°C et 500°C, à une pression absolue comprise entre 0,1 MPa et 1,5 MPa (étape e)).Preferably, in step d), the drying is carried out between 30 ° C and 200 ° C. Advantageously, the dried composition obtained in step d) is subjected to a heat treatment under hydrogen at a temperature between 50 ° C and 500 ° C, at an absolute pressure between 0.1 MPa and 1.5 MPa (step e )).
Un second objet selon l’invention concerne l’utilisation de la composition obtenue par le procédé selon l’invention en tant que catalyseur dans un procédé de synthèse FischerTropsch opérant en présence de gaz de synthèse sous une pression totale comprise entre 0,1 et 15 MPa, sous une température comprise entre 150 et 350°C, à une vitesse volumique horaire comprise entre 100 et 20000 volumes de gaz de synthèse par volume de catalyseur et par heure.A second object according to the invention relates to the use of the composition obtained by the process according to the invention as a catalyst in a FischerTropsch synthesis process operating in the presence of synthesis gas under a total pressure of between 0.1 and 15 MPa, at a temperature between 150 and 350 ° C, at an hourly volume speed between 100 and 20,000 volumes of synthesis gas per volume of catalyst and per hour.
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
Dans la suite, les groupes d'éléments chimiques sont donnés selon la classification CAS (CRC Handbook of Chemistry and Physics, éditeur CRC press, rédacteur en chef D.R. Lide, 81eme édition, 2000-2001). Par exemple, le groupe VIII selon la classification CAS correspond aux métaux des colonnes 8, 9 et 10 selon la nouvelle classification IUPAC.In the following, groups of chemical elements are given according to CAS Classification (CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC press publisher, editor DR Lide, 81 th Edition, 2000-2001). For example, group VIII according to the CAS classification corresponds to the metals in columns 8, 9 and 10 according to the new IUPAC classification.
Le procédé de préparation de la composition selon l’invention implique un dépôt du cobalt en surface du support par condensation photo-assistée. Plus particulièrement, le procédé comprend les étapes suivantes :The process for preparing the composition according to the invention involves depositing the cobalt on the surface of the support by photo-assisted condensation. More particularly, the method comprises the following steps:
a) on fournit un support contenant semi-conducteur et on le met en suspension dans une phase non-aqueuse sous agitation comprenant un précurseur soluble de cobalt, et éventuellement un agent sacrificiel ;a) a support containing a semiconductor is provided and it is suspended in a non-aqueous phase with stirring comprising a soluble cobalt precursor, and optionally a sacrificial agent;
b) on irradie la suspension obtenue à l’étape a) par une source d’irradiation telle qu’au moins une partie du spectre d’émission de ladite source d’irradiation soit composée de photons d’énergies supérieures à la largeur de bande interdite dudit semi-conducteur ;b) the suspension obtained in step a) is irradiated with an irradiation source such that at least part of the emission spectrum of said irradiation source is composed of photons of energies greater than the bandwidth prohibited said semiconductor;
c) éventuellement, on sépare au moins partiellement la composition de la suspension issue de l'étape b) ;c) optionally, the composition of the suspension from step b) is at least partially separated;
d) éventuellement, on sèche la composition obtenue à l’étape c) ;d) optionally, the composition obtained in step c) is dried;
e) éventuellement, on soumet la composition séchée obtenue à l’étape d) à un traitement thermique.e) optionally, the dried composition obtained in step d) is subjected to a heat treatment.
Etape a)Step a)
Dans l’étape a) on fournit un support contenant un semi-conducteur, et on le met en suspension sous agitation dans une phase non-aqueuse comprenant un précurseur soluble de cobalt.In step a), a support is provided containing a semiconductor, and it is suspended with stirring in a non-aqueous phase comprising a soluble cobalt precursor.
Les semi-conducteurs utilisés selon l'invention comprennent au moins un semi-conducteur inorganique ou organique-inorganique. La largeur de bande interdite du semi-conducteur inorganique ou organique-inorganique est généralement comprise entre 0,1 et 5,5 eV.The semiconductors used according to the invention comprise at least one inorganic or organic-inorganic semiconductor. The forbidden bandwidth of the inorganic or organic-inorganic semiconductor is generally between 0.1 and 5.5 eV.
Selon une première variante, le semi-conducteur comprend au moins un solide inorganique. Le semi-conducteur inorganique peut comprendre un ou plusieurs éléments choisi parmi les éléments du groupe IVA, tels que le silicium, le germanium, le carbure de silicium ou le silicium-germanium. Il peut également contenir un ou plusieurs éléments des groupes IIIA et VA, tels que GaP, GaN, InP et InGaAs, ou d'éléments des groupes IIB et VIA, tels que CdS, ZnO et ZnS, ou d'éléments des groupes IB et VIIA, tels que CuCI et AgBr, ou d'éléments des groupes IVA et VIA, tels que PbS, PbO, SnS et PbSnTe, ou d'éléments des groupes VA et VIA, tels que Bi2Te3 et Bi2O3, ou d'éléments des groupes IIB et VA, tels que Cd3P2, Zn3P2 et Zn3As2, ou d'éléments des groupes IB et VIA, tels que CuO, Cu2O et Ag2S, ou d'éléments des groupes VIII et VIA, tels que CoO, PdO, Fe2O3 et NiO, ou d'éléments des groupes VIB et VIA, tels que MoS2 et WO3, ou d'éléments des groupes VB et VIA, tels que V2O5 et Nb2O5, ou d'éléments des groupes IVB et VIA, tels que TiO2 et HfS2, ou d'éléments des groupes IIIA et VIA, tels que ln2O3, ln2S3 ou ln(OH)3, ou d'éléments des groupes VIA et des lanthanides, tels que Ce2O3, Pr2O3, Sm2S3, Tb2S3 et La2S3, ou d'éléments des groupes VIA et des actinides, tels que UO2 et UO3. De manière préférée, le semi-conducteur est choisi parmi TiO2, Ce2O3, CeO2, WO3, ZrO2, CoTi03, NiTiO3, FeTiO3, CuTiO3, MnTiO3, ZnTiO3, ZnO, ZnFe2O4, ZrO2, CoAI204, NiAI2O4, FoAI2O4, MnAI2O4, Co2Si04, Ni2SiO2, Fo2SiO4, AITiO3, SiC seuls ou en mélange. De manière très préférée, le semi-conducteur est choisi parmi TiO2, ZnO, WO3, CeO2, ZrO2, CoAI2O4, NiAI2O4, FoAI2O4, MnAI2O4.According to a first variant, the semiconductor comprises at least one inorganic solid. The inorganic semiconductor may comprise one or more elements chosen from the elements of group IVA, such as silicon, germanium, silicon carbide or silicon-germanium. It can also contain one or more elements of groups IIIA and VA, such as GaP, GaN, InP and InGaAs, or elements of groups IIB and VIA, such as CdS, ZnO and ZnS, or elements of groups IB and VIIA, such as CuCI and AgBr, or elements of groups IVA and VIA, such as PbS, PbO, SnS and PbSnTe, or elements of groups VA and VIA, such as Bi 2 Te 3 and Bi 2 O 3 , or elements of groups IIB and VA, such as Cd 3 P 2 , Zn 3 P 2 and Zn 3 As 2 , or elements of groups IB and VIA, such as CuO, Cu 2 O and Ag 2 S, or elements of groups VIII and VIA, such as CoO, PdO, Fe 2 O 3 and NiO, or elements of groups VIB and VIA, such as MoS 2 and WO 3 , or elements of groups VB and VIA, such as V 2 O 5 and Nb 2 O 5 , or elements of groups IVB and VIA, such as TiO 2 and HfS 2 , or elements of groups IIIA and VIA, such as ln 2 O 3 , ln 2 S 3 or ln (OH) 3 , or elements of the VIA groups and lanthanides, such as Ce 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Sm 2 S 3 , Tb 2 S 3 and La 2 S 3 , or elements of the VIA groups and actinides, such as UO 2 and UO 3 . Preferably, the semiconductor is chosen from TiO 2 , Ce 2 O 3 , CeO 2 , WO 3 , ZrO 2 , CoTi0 3 , NiTiO 3 , FeTiO 3 , CuTiO 3 , MnTiO 3 , ZnTiO 3 , ZnO, ZnFe 2 O 4 , ZrO 2 , CoAI 2 0 4 , NiAI 2 O 4 , FoAI 2 O 4 , MnAI 2 O 4 , Co 2 Si0 4 , Ni 2 SiO 2 , Fo 2 SiO 4 , AITiO 3 , SiC alone or as a mixture. Very preferably, the semiconductor is chosen from TiO 2 , ZnO, WO 3 , CeO 2 , ZrO 2 , CoAI 2 O 4 , NiAI 2 O 4 , FoAI 2 O 4 , MnAI 2 O 4 .
Selon une autre variante, le semi-conducteur comprend au moins un semi-conducteur organique-inorganique. Parmi les semi-conducteurs organiques-inorganiques, on peut citer les solides cristallisés de type MOF (pour Métal Organic Frameworks selon la terminologie anglo-saxonne). Les MOFs sont constitués de sous-unités inorganiques (métaux de transition, lanthanides...) connectées entre elles par des ligands organiques (carboxylates, phosphonates, imidazolates...), définissant ainsi des réseaux hybrides cristallisés, parfois poreux.According to another variant, the semiconductor comprises at least one organic-inorganic semiconductor. Among the organic-inorganic semiconductors, mention may be made of crystallized solids of the MOF type (for Metal Organic Frameworks according to English terminology). MOFs are made up of inorganic subunits (transition metals, lanthanides, etc.) connected together by organic ligands (carboxylates, phosphonates, imidazolates, etc.), thus defining crystallized, sometimes porous, hybrid networks.
Le semi-conducteur peut éventuellement être dopé avec un ou plusieurs ions choisis parmi des ions métalliques, tels que par exemple des ions de V, Ni, Cr, Mo, Fe, Sn, Mn, Co, Re, Nb, Sb, La, Ce, Ta, Ti, des ions non-métalliques, tels que par exemple C, N, S, F, P, ou par un mélange d’ions métalliques et non-métalliques.The semiconductor may optionally be doped with one or more ions chosen from metal ions, such as for example ions of V, Ni, Cr, Mo, Fe, Sn, Mn, Co, Re, Nb, Sb, La, Ce, Ta, Ti, non-metallic ions, such as for example C, N, S, F, P, or by a mixture of metallic and non-metallic ions.
Le semi-conducteur peut se présenter sous différentes formes (poudre nanométrique, nanoobjets comportant ou non des cavités, par exemple sous forme de nanotube) ou mises en formes (monolithe, billes de taille micrométrique ou millimétrique,...).The semiconductor can be in different forms (nanometric powder, nanoobjects with or without cavities, for example in the form of nanotube) or shaped (monolith, micrometric or millimeter-sized beads, etc.).
Dans une autre variante, le semi-conducteur peut-être lui-même contenu dans un support inorganique réfractaire, de type alumine, silice, silice-alumine en toute proportion. Ledit support inorganique pouvant lui-même se présenter sous différentes formes (poudre nanométrique, nanoobjets comportant ou non des cavités,...) ou mises en formes (monolithe, billes de taille micrométrique ou millimétrique, ...).In another variant, the semiconductor may itself be contained in an inorganic refractory support, of alumina, silica, silica-alumina type in any proportion. Said inorganic support which can itself be presented in different forms (nanometric powder, nanoobjects with or without cavities, etc.) or shaped (monolith, beads of micrometric or millimeter size, etc.).
Toute méthode connue de l’homme du métier pourra être mise en œuvre pour fournir ledit semi-conducteur.Any method known to a person skilled in the art may be used to supply said semiconductor.
Le taux de chargement du semi-conducteur dans la phase non-aqueuse est compris entre 0,1 et 500 g/L, de préférence entre 0,1 et 100 g/L, de manière très préférée entre 1 et 20 g/L.The loading rate of the semiconductor in the non-aqueous phase is between 0.1 and 500 g / L, preferably between 0.1 and 100 g / L, very preferably between 1 and 20 g / L.
Dans l’étape a) du procédé selon l’invention, après avoir fourni ledit support contenant le semi-conducteur, on le met en suspension sous agitation dans une phase non-aqueuse comprenant un précurseur soluble de cobalt.In step a) of the process according to the invention, after having provided said support containing the semiconductor, it is suspended with stirring in a non-aqueous phase comprising a soluble cobalt precursor.
La phase soluble non-aqueuse peut être constituée de toutes espèces organiques et ne contenir de l’eau qu’à l’état de trace, de préférence en deçà de 1% volumique, de manière très préférée en deçà de 0,1% volumique. La phase non-aqueuse peut-être toute phase organique liquide à la température de la préparation. De manière préférée, la phase nonaqueuse est choisie parmi les alcools, les aldéhydes ou les amines. De manière très préférée, la phase non-aqueuse est un alcool. Lorsque la phase non-aqueuse est un alcool, on choisit préférentiellement le méthanol, l’éthanol, le propanol ou l’isopropanol, seuls ou en mélange.The non-aqueous soluble phase can consist of all organic species and contain only trace amounts of water, preferably below 1% by volume, very preferably below 0.1% by volume. . The non-aqueous phase may be any liquid organic phase at the temperature of the preparation. Preferably, the nonaqueous phase is chosen from alcohols, aldehydes or amines. Very preferably, the non-aqueous phase is an alcohol. When the non-aqueous phase is an alcohol, methanol, ethanol, propanol or isopropanol are preferably chosen, alone or as a mixture.
La phase non-aqueuse comprend également un précurseur soluble de cobalt. Le précurseur soluble de cobalt est généralement à base de chlorure, iodure, bromure, fluorure, acétate, acétylacétonate, nitrate, sulfate, hydroxyde. De manière préférée, le précurseur est le nitrate de cobalt, l’acétate de cobalt ou un acétylacétonate de cobalt.The non-aqueous phase also includes a soluble cobalt precursor. The soluble cobalt precursor is generally based on chloride, iodide, bromide, fluoride, acetate, acetylacetonate, nitrate, sulfate, hydroxide. Preferably, the precursor is cobalt nitrate, cobalt acetate or a cobalt acetylacetonate.
La phase non-aqueuse peut comprendre éventuellement en outre un agent sacrificiel. L’agent sacrificiel est un composé organique ou inorganique soluble dans la phase nonaqueuse. Cet agent sera consommé par oxydation lors de l’étape b) selon le procédé de préparation de l’invention de manière concomitante à la réduction du Co2+ ou Co3+ en cobalt métallique (Co°). De manière préférée, l’agent sacrificiel est choisi parmi les alcools, les aldéhydes ou les amines. De manière très préférée la phase non-aqueuse est un alcool. Lorsque l’agent sacrificiel est présent dans la phase non-aqueuse, le ratio molaire entre l’agent sacrificiel et le précurseur de cobalt est supérieure à 1, de préférence compris entre 1 et 5. Le mélange est généralement effectué à une température comprise entre 5 et 90 °C, de préférence entre 15 et 40°C, et de manière particulèrement préférée à température ambiante, sous agitation, de préférence mécanique ou par bullage.The non-aqueous phase may optionally further comprise a sacrificial agent. The sacrificial agent is an organic or inorganic compound soluble in the nonaqueous phase. This agent will be consumed by oxidation during step b) according to the preparation process of the invention concomitantly with the reduction of Co 2+ or Co 3+ to metallic cobalt (Co °). Preferably, the sacrificial agent is chosen from alcohols, aldehydes or amines. Very preferably the non-aqueous phase is an alcohol. When the sacrificial agent is present in the non-aqueous phase, the molar ratio between the sacrificial agent and the cobalt precursor is greater than 1, preferably between 1 and 5. The mixing is generally carried out at a temperature between 5 and 90 ° C, preferably between 15 and 40 ° C, and particularly preferably at room temperature, with stirring, preferably mechanical or by bubbling.
Etape b)Step b)
Lors de l’étape b), on irradie la suspension par une source d’irradiation telle qu’au moins une partie du spectre d’émission de ladite source soit composée de photons d’énergies supérieures à la largeur de bande interdite du semi-conducteur.During step b), the suspension is irradiated by an irradiation source such that at least part of the emission spectrum of said source is composed of photons of energies greater than the prohibited bandwidth of the half driver.
Le semi-conducteur peut être excité à l'aide de l'énergie apportée par l'irradiation. L'absorption d'un photon, dont l'énergie est supérieure à la largeur de bande interdite, ou bandgap selon la terminologie anglo-saxonne, entre la bande de valence et la bande de conduction, induit la formation d'une paire électron-trou dans le semi-conducteur. On a donc l'excitation d'un électron au niveau de la bande de conduction et la formation d'un trou sur la bande de valence. Cette paire électron-trou va permettre la formation de radicaux libres qui vont soit réagir avec des composés présents dans le milieu ou alors se recombiner suivant divers mécanismes. Chaque semi-conducteur possède une différence d'énergie entre sa bande de conduction et sa bande de valence, ou bandgap, qui lui est propre.The semiconductor can be excited using the energy provided by the irradiation. The absorption of a photon, whose energy is greater than the forbidden bandwidth, or bandgap according to English terminology, between the valence band and the conduction band, induces the formation of an electron- hole in the semiconductor. There is therefore the excitation of an electron at the level of the conduction band and the formation of a hole on the valence band. This electron-hole pair will allow the formation of free radicals which will either react with compounds present in the medium or then recombine according to various mechanisms. Each semiconductor has a difference in energy between its conduction band and its own valence band, or bandgap.
Un semi-conducteur peut être activé par l'absorption d'au moins un photon. Les photons absorbables sont ceux dont l'énergie est supérieure à la largeur de bande interdite, au bandgap, du photocatalyseur. Autrement dit, les semi-conducteurs sont activables par au moins un photon d'une longueur d'onde correspondant à l'énergie associée à la largeur de bande interdite du semi-conducteur ou d'une longueur d'onde inférieure. On calcule la longueur d'onde maximale absorbable par le semiconducteur à l'aide de l'équation suivante :A semiconductor can be activated by the absorption of at least one photon. Absorbable photons are those whose energy is greater than the bandgap bandgap of the photocatalyst. In other words, the semiconductors can be activated by at least one photon with a wavelength corresponding to the energy associated with the forbidden bandwidth of the semiconductor or with a lower wavelength. The maximum wavelength absorbable by the semiconductor is calculated using the following equation:
. h'/,c. h '/, c
Avec Àmax la longueur l'onde maximale absorbable par le semi-conducteur (en m), h la constante de Planck (4,13433559.1015 eV.s), c la vitesse de la lumière dans le vide (299 792 458 m.s1) et Eg la largeur de bande interdite ou bandgap du semi-conducteur (en eV).With At max the maximum wavelength absorbable by the semiconductor (in m), h the Planck constant (4.13433559.10 15 eV.s), c the speed of light in a vacuum (299 792 458 ms 1 ) and Eg the forbidden bandwidth or bandgap of the semiconductor (in eV).
De préférence, la source émet à au moins une gamme de longueurs d'onde supérieures à 250 nm, de manière très préférée comprise entre 280 nm à 800 nm, ce qui inclut le spectre UV et/ou le spectre visible. La source de rayonnement peut être toute source de rayonnement électromagnétique artificielle ou naturelle, telle que la lumière naturelle du soleil, une lampe de type Hg, une lampe de type Xe, une lampe de type LED.Preferably, the source emits at least one range of wavelengths greater than 250 nm, very preferably between 280 nm and 800 nm, which includes the UV spectrum and / or the visible spectrum. The radiation source can be any source of artificial or natural electromagnetic radiation, such as natural sunlight, an Hg type lamp, an Xe type lamp, an LED type lamp.
La durée de cette étape est de préférence comprise entre 10 minutes et 7 jours sous irradiation, de préférence comprise entre 1 heure et 48 heures.The duration of this step is preferably between 10 minutes and 7 days under irradiation, preferably between 1 hour and 48 hours.
A l’issue de l’étape b), des nanoparticules de cobalt métalliques sont déposées en surface du semi-conducteur. On entend par «cobalt métallique» du cobalt étant au degré d’oxydation zéro (et donc sous forme de métal). Eventuellement, une fraction de l’élément cobalt peut se présenter sous la forme oxydée, la teneur en élément cobalt sous forme oxydée étant inférieure à 30% molaire de cobalt sous sa forme oxydée par rapport à la teneur totale en élément cobalt, de préférence inférieure à 20% molaire, de manière plus préférée inférieure à 10% molaire, et encore plus préférentiellement inférieure à 5% molaire.At the end of step b), metallic cobalt nanoparticles are deposited on the surface of the semiconductor. The term “metallic cobalt” means cobalt being at the oxidation state zero (and therefore in the form of metal). Optionally, a fraction of the cobalt element may be in the oxidized form, the content of cobalt element in oxidized form being less than 30 mol% of cobalt in its oxidized form relative to the total content of cobalt element, preferably less at 20 mol%, more preferably less than 10 mol%, and even more preferably less than 5 mol%.
Lesdites particules de cobalt à l’état métallique se présentent préférentiellement sous la forme de particules de tailles comprises entre 0,5 nm et 1000 nm, de manière très préférée entre 0,5 nm et 100 nm.Said cobalt particles in the metallic state are preferably in the form of particles of sizes between 0.5 nm and 1000 nm, very preferably between 0.5 nm and 100 nm.
La teneur en cobalt à l’état métallique est comprise entre 0,1 et 40% en poids, de manière préférée comprise entre 1 et 30% en poids par rapport au poids total de la composition, de manière très préférée de 2 à 25% en poids par rapport au poids total de la composition.The content of cobalt in the metallic state is between 0.1 and 40% by weight, preferably between 1 and 30% by weight relative to the total weight of the composition, very preferably from 2 to 25% by weight relative to the total weight of the composition.
La composition, utilisable en tant que catalyseur, composée de nanoparticules de cobalt métallique peut être conservée dans la phase non-aqueuse afin de conserver le cobalt au degré d’oxydation zéro pour une mise en œuvre directe dans un procédé catalytique.The composition, which can be used as a catalyst, composed of nanoparticles of metallic cobalt can be stored in the non-aqueous phase in order to keep the cobalt at the zero oxidation state for direct use in a catalytic process.
Lorsque l’on souhaite obtenir un matériau exempt de la phase non-aqueuse, on peut procéder éventuellement à l’étape c), puis éventuellement d) et/ou éventuellement e).When it is desired to obtain a material free from the non-aqueous phase, it is possible optionally to proceed to step c), then optionally d) and / or optionally e).
Etape clStep cl
Dans l’étape c), on sépare la composition de la suspension de l’étape d). La séparation peut être effectuée par filtration ou par centrifugation. De préférence elle est effectuée par centrifugation. Généralement, cette centrifugation s’effectue pendant 10 à 60 minutes de 2000 à 10000 tours par minute. De manière préférée, un à trois lavages avec une phase aqueuse ou non aqueuse sont ensuite effectués. Lorsqu’une phase non aqueuse est utilisée pour le lavage, celle-ci est de préférence la même que celle utilisée pour l’étape a).In step c), the composition of the suspension is separated from step d). The separation can be carried out by filtration or by centrifugation. Preferably it is carried out by centrifugation. Generally, this centrifugation is carried out for 10 to 60 minutes from 2000 to 10000 revolutions per minute. Preferably, one to three washes with an aqueous or non-aqueous phase are then carried out. When a non-aqueous phase is used for washing, this is preferably the same as that used for step a).
Etape d)Step d)
Dans l’étape d), on sèche la composition obtenue à l’étape c). Le séchage est effectué entre 30°C et 200°C, généralement pendant 1h à 48h, de péférence sous air. Eventuellement, ce séchage peut être réalisé sous atmosphère inerte. Le séchage peut être éventuellement effectué dans une étuve ou un évaporateur rotatif. L’étape de séchage peut éventuellement se faire sous vide partiel.In step d), the composition obtained in step c) is dried. Drying is carried out between 30 ° C and 200 ° C, generally for 1 hour to 48 hours, preferably in air. Optionally, this drying can be carried out under an inert atmosphere. The drying can optionally be carried out in an oven or a rotary evaporator. The drying step can optionally be done under partial vacuum.
Etape elStep el
La composition séchée obtenue à l’étape d) peut être soumise à un traitement thermique sous hydrogène. Le traitement thermique est effectué généralement à une température entre 50°C et 500°C, de préférence pendant une durée ente 1h et 20h, dans un réacteur en lit fixe ou en lit fluidisé à une pression absolue comprise entre 0,1 MPa et 1, 5 MPa (1 et 15 bar). L’hydrogène peut être pur ou dilué. Ensuite, la composition obtenue est éventuellement déchargée sous inerte dans un solvant organique afin d’éviter sa ré-oxydation, ou est laissée dans le réacteur sous hydrogène ou gaz inerte pour une utilisation ultérieure.The dried composition obtained in step d) can be subjected to a heat treatment under hydrogen. The heat treatment is generally carried out at a temperature between 50 ° C and 500 ° C, preferably for a period between 1 hour and 20 hours, in a reactor in a fixed bed or in a fluidized bed at an absolute pressure of between 0.1 MPa and 1 , 5 MPa (1 and 15 bar). Hydrogen can be pure or diluted. Then, the composition obtained is optionally discharged under inert into an organic solvent in order to avoid its re-oxidation, or is left in the reactor under hydrogen or inert gas for later use.
Préalablement à ce traitement thermique sous hydrogène, la composition séchée obtenue à l’étape d) peut être soumise à un traitement sous flux d’air, d’azote, éventuellement sous vide partiel.Prior to this heat treatment under hydrogen, the dried composition obtained in step d) may be subjected to a treatment under air flow, of nitrogen, optionally under partial vacuum.
On obtient ainsi une composition comprenant un support contenant un semi-conducteur présentant à sa surface des particules métalliques de cobalt.A composition is thus obtained comprising a support containing a semiconductor having on its surface metallic particles of cobalt.
Utilisation du catalyseur dans un procédé Fischer-TropschUse of the catalyst in a Fischer-Tropsch process
L’objet de cette invention concerne également l’utilisation de ces compositions en tant que catalyseurs, par exemple pour la synthèse Fischer-Tropsch.The subject of this invention also relates to the use of these compositions as catalysts, for example for the Fischer-Tropsch synthesis.
Les procédés de synthèse Fischer-Tropsch permettent d'obtenir une large gamme de coupes hydrocarbonées à partir du mélange CO + H2, communément appelé gaz de synthèse. L'équation globale de la synthèse Fischer-Tropsch peut s'écrire de la manière suivante :The Fischer-Tropsch synthesis processes make it possible to obtain a wide range of hydrocarbon cuts from the CO + H 2 mixture, commonly called synthesis gas. The global equation of the Fischer-Tropsch synthesis can be written as follows:
n CO + (2n+1 ) H2 —> CnH2n+2 + n H2On CO + (2n + 1) H 2 -> CnH 2n + 2 + n H 2 O
La synthèse Fischer-Tropsch est au cœur des procédés de conversion du gaz naturel, du charbon ou de la biomasse en carburants ou en intermédiaires pour l'industrie chimique. Ces procédés sont appelés GtL (Gas to Liquids selon la terminologie anglo-saxonne) dans le cas de l'utilisation de gaz naturel comme charge initiale, CtL (Coal to Liquids selon la terminologie anglo-saxonne) pour le charbon, et BtL (Biomass to Liquids selon la terminologie anglo-saxonne) pour la biomasse. Dans chacun de ces cas, la charge initiale est tout d'abord gazéifiée en gaz de synthèse, un mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène. Le gaz de synthèse est ensuite transformé majoritairement en paraffines grâce à la synthèse Fischer-Tropsch, et ces paraffines peuvent ensuite être transformées en carburants par un procédé d'hydroisomérisation-hydrocraquage. Par exemple, des procédés de transformation tels que l'hydrocraquage, le déparaffinage, et l'hydroisomérisation des coupes lourdes (C16+) permettent de produire différents types de carburants dans la gamme des distillais moyens : gazole (coupe 180-370°C) et kérosène (coupe 140-300°C). Les fractions plus légères C5-C15 peuvent être distillées et utilisées comme solvants.Fischer-Tropsch synthesis is at the heart of the processes for converting natural gas, coal or biomass into fuels or intermediates for the chemical industry. These processes are called GtL (Gas to Liquids according to Anglo-Saxon terminology) in the case of the use of natural gas as initial charge, CtL (Coal to Liquids according to Anglo-Saxon terminology) for coal, and BtL (Biomass to Liquids according to Anglo-Saxon terminology) for biomass. In each of these cases, the initial charge is first gasified into synthesis gas, a mixture of carbon monoxide and dihydrogen. The synthesis gas is then mainly transformed into paraffins by means of the Fischer-Tropsch synthesis, and these paraffins can then be transformed into fuels by a hydroisomerization-hydrocracking process. For example, transformation processes such as hydrocracking, dewaxing, and hydroisomerization of heavy cuts (C16 +) make it possible to produce different types of fuels in the range of medium distillates: diesel (cut 180-370 ° C) and kerosene (cut 140-300 ° C). The lighter C5-C15 fractions can be distilled and used as solvents.
Le procédé Fischer-Tropsch selon l'invention permet ainsi la production d'hydrocarbures essentiellement linéaires et saturés C5+. Conformément à l'invention, on entend par hydrocarbures essentiellement linéaires et saturés C5+, des hydrocarbures dont la proportion en composés hydrocarbonés ayant au moins 5 atomes de carbone par molécule représente au moins 50% en poids, de préférence au moins 80% en poids de l'ensemble des hydrocarbures formés, la teneur totale en composés oléfiniques présents parmi lesdits composés hydrocarbonés ayant au moins 5 atomes de carbone par molécule étant inférieure à 15% poids. Les hydrocarbures produits par le procédé de l'invention sont ainsi des hydrocarbures essentiellement paraffiniques, dont la fraction présentant les points d'ébullition les plus élevés peut être convertie avec un rendement élevé en distillats moyens (coupes gazole et kérosène) par un procédé catalytique d'hydroconversion tel que l'hydrocraquage et/ou l'hydroisomérisation.The Fischer-Tropsch process according to the invention thus allows the production of essentially linear and saturated C5 + hydrocarbons. In accordance with the invention, the expression “essentially linear and saturated C5 + hydrocarbons” is understood to mean hydrocarbons whose proportion of hydrocarbon compounds having at least 5 carbon atoms per molecule represents at least 50% by weight, preferably at least 80% by weight of all of the hydrocarbons formed, the total content of olefinic compounds present among said hydrocarbon compounds having at least 5 carbon atoms per molecule being less than 15% by weight. The hydrocarbons produced by the process of the invention are thus essentially paraffinic hydrocarbons, the fraction of which having the highest boiling points can be converted with a high yield into middle distillates (diesel and kerosene cuts) by a catalytic process d hydroconversion such as hydrocracking and / or hydroisomerization.
La réaction de synthèse Fischer-Tropsch peut être réalisée dans différents types de réacteurs (lit fixe, mobile, ou triphasique (gaz, liquide, solide) par exemple de type autoclave parfaitement agité, ou dans une colonne à bulles), et les produits de la réaction présentent notamment la caractéristique d'être exempts de composés soufrés, azotés ou de type aromatique.The Fischer-Tropsch synthesis reaction can be carried out in different types of reactors (fixed, mobile, or three-phase bed (gas, liquid, solid), for example of the perfectly stirred autoclave type, or in a bubble column), and the products of the reaction in particular has the characteristic of being free of sulfur-containing, nitrogenous or aromatic compounds.
De manière préférée, la charge employée pour la mise en œuvre du procédé de l'invention, est constituée par le gaz de synthèse qui est un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène de rapports molaires H2/CO pouvant varier entre 0,5 et 4 en fonction du procédé de fabrication dont il est issu. Le rapport molaire H2/CO du gaz de synthèse est généralement voisin de 3 lorsque le gaz de synthèse est obtenu à partir du procédé de vaporeformage d’hydrocarbures ou d’alcool. Le rapport molaire H2/CO du gaz de synthèse est de l'ordre de 1,5 à 2 lorsque le gaz de synthèse est obtenu à partir d'un procédé d'oxydation partielle. Le rapport molaire H2/CO du gaz de synthèse est généralement voisin de 2,5 lorsqu'il est obtenu à partir d'un procédé de reformage autotherme. Le rapport molaire H2/CO du gaz de synthèse est généralement voisin de 1 lorsqu'il est obtenu à partir d'un procédé de gazéification et de reformage d'hydrocarbures au CO2 (dit reformage sec).Preferably, the feedstock used for implementing the process of the invention consists of synthesis gas which is a mixture of carbon monoxide and hydrogen with H 2 / CO molar ratios which can vary between 0, 5 and 4 depending on the manufacturing process from which it comes. The H 2 / CO molar ratio of the synthesis gas is generally close to 3 when the synthesis gas is obtained from the process of steam reforming of hydrocarbons or alcohol. The H 2 / CO molar ratio of the synthesis gas is of the order of 1.5 to 2 when the synthesis gas is obtained from a partial oxidation process. The H 2 / CO molar ratio of the synthesis gas is generally close to 2.5 when it is obtained from an autothermal reforming process. The H 2 / CO molar ratio of the synthesis gas is generally close to 1 when it is obtained from a gasification and reforming process of hydrocarbons to CO 2 (known as dry reforming).
Le procédé Fischer-Tropsch selon l'invention est opéré sous une pression totale comprise entre 0,1 et 15 MPa, de préférence entre 0,5 et 10 MPa, sous une température comprise entre 150 et 350°C, de préférence entre 180 et 270 C. La vitesse volumique horaire est avantageusement comprise entre 100 et 20000 volumes de gaz de synthèse par volume de catalyseur et par heure (100 à 20000 h-1) et de préférence entre 400 et 10000 volumes de gaz de synthèse par volume de catalyseur et par heure (400 à 10000 h-1).The Fischer-Tropsch process according to the invention is operated under a total pressure of between 0.1 and 15 MPa, preferably between 0.5 and 10 MPa, at a temperature between 150 and 350 ° C, preferably between 180 and 270 C. The hourly volume speed is advantageously between 100 and 20,000 volumes of synthesis gas per volume of catalyst and per hour (100 to 20,000 h-1) and preferably between 400 and 10,000 volumes of synthesis gas per volume of catalyst and per hour (400 to 10,000 h-1).
L’invention est illustrée par les exemples suivants qui ne présentent, en aucun cas, un caractère limitatif.The invention is illustrated by the following examples which are in no way limiting in nature.
EXEMPLESEXAMPLES
Exemple 1 : Suspension AExample 1: Suspension A
Dans cet exemple, la suspension est en phase aqueuse.In this example, the suspension is in the aqueous phase.
0,992 g de Co(N03)2.6H20 (99%, Sigma Aldrich ™) est ajouté dans 1 L d'eau distillée. Cette solution est ajoutée dans un réacteur double enveloppe en verre. 0,4 ml d’éthanol (99,8%, Sigma Aldrich ™) puis 5,04 g de nanoparticules de TiO2 (P25, Degussa™) sont alors ajoutés sous agitation pour former une suspension.0.992 g of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 0 (99%, Sigma Aldrich ™) is added in 1 L of distilled water. This solution is added to a double jacket glass reactor. 0.4 ml of ethanol (99.8%, Sigma Aldrich ™) and then 5.04 g of TiO 2 nanoparticles (P25, Degussa ™) are then added with stirring to form a suspension.
Le mélange est alors laissé sous agitation et sous rayonnement UV pendant 7h. La lampe utilisée pour fournir le rayonnement UV est une lampe HPK™ à vapeur de mercure de 125W. Le réacteur est thermostaté à 25°C tout au long de la synthèse.The mixture is then left under stirring and under UV radiation for 7 hours. The lamp used to provide UV radiation is a 125W HPK ™ mercury vapor lamp. The reactor is thermostatically controlled at 25 ° C throughout the synthesis.
On obtient alors une suspension A, constitué d’une poudre visuellement blanche. La poudre dans la suspension A est nommée catalyseur A.A suspension A is then obtained, consisting of a visually white powder. The powder in suspension A is called catalyst A.
Exemple 2 : Suspension BExample 2: Suspension B
0,995 g de Co(N03)2.6H20 (99%, Sigma Aldrich ™) est ajouté dans 1 L d'éthanol (99,8%, Sigma Aldrich ™). Cette solution est ajoutée dans un réacteur double enveloppe en verre. 5,01 g de nanoparticules de TiO2 (P25, Degussa™) sont alors ajoutés sous agitation pour former une suspension.0.995 g of Co (N0 3) 2 .6H 2 0 (99%, Sigma Aldrich ™) was added in 1 L of ethanol (99.8%, Sigma Aldrich ™). This solution is added to a double jacket glass reactor. 5.01 g of TiO 2 nanoparticles (P25, Degussa ™) are then added with stirring to form a suspension.
Le mélange est alors laissé sous agitation pendant 7h. Le réacteur est occulté afin qu’aucune irradiation ne parviennent au mélange réactionnel. Le réacteur est thermostaté à 25 °C tout au long de la synthèse.The mixture is then left under stirring for 7 hours. The reactor is obscured so that no irradiation reaches the reaction mixture. The reactor is thermostatically controlled at 25 ° C throughout the synthesis.
On obtient alors une suspension B, constitué d’une poudre visuellement blanche. La poudre dans la suspension B est nommée catalyseur B.A suspension B is then obtained, consisting of a visually white powder. The powder in suspension B is called catalyst B.
Exemple 3 : Suspension CExample 3: Suspension C
0,995 g de Co(N03)2.6H20 (99%, Sigma Aldrich ™) est ajouté dans 1 L d'éthanol (99,8%, Sigma Aldrich ™). Cette solution est ajoutée dans un réacteur double enveloppe en verre. 5,00 g de nanoparticules de TiO2 (P25, Degussa™) sont alors ajoutés sous agitation pour former une suspension.0.995 g of Co (N0 3) 2 .6H 2 0 (99%, Sigma Aldrich ™) was added in 1 L of ethanol (99.8%, Sigma Aldrich ™). This solution is added to a double jacket glass reactor. 5.00 g of TiO 2 nanoparticles (P25, Degussa ™) are then added with stirring to form a suspension.
Le mélange est alors laissé sous agitation et sous rayonnement UV pendant 7h30. La lampe utilisée pour fournir le rayonnement UV est une lampe HPK™ à vapeur de mercure de 125W. Le réacteur est thermostaté à 25°C tout au long de la synthèse.The mixture is then left under stirring and under UV radiation for 7:30. The lamp used to provide UV radiation is a 125W HPK ™ mercury vapor lamp. The reactor is thermostatically controlled at 25 ° C throughout the synthesis.
On obtient alors une suspension C, constitué d’une poudre visuellement gris-noir. La poudre dans la suspension C est nommée catalyseur C.A suspension C is then obtained, consisting of a visually gray-black powder. The powder in suspension C is called catalyst C.
Exemple 4 : Suspension DExample 4: Suspension D
0,900 g de Co(N03)2.6H20 (99%, Sigma Aldrich ™) est ajouté dans 1 L d'isopropanol (99,7%, Sigma Aldrich ™). Cette solution est ajoutée dans un réacteur double enveloppe en verre. 5,04 g de nanoparticules de TiO2 (P25, Degussa™) sont alors ajoutés sous agitation pour former une suspension.0.900 g of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 0 (99%, Sigma Aldrich ™) is added in 1 L of isopropanol (99.7%, Sigma Aldrich ™). This solution is added to a double jacket glass reactor. 5.04 g of TiO 2 nanoparticles (P25, Degussa ™) are then added with stirring to form a suspension.
Le mélange est alors laissé sous agitation et sous rayonnement UV pendant 7h. La lampe utilisée pour fournir le rayonnement UV est une lampe HPK™ à vapeur de mercure de 125W. Le réacteur est thermostaté à 25°C tout au long de la synthèse.The mixture is then left under stirring and under UV radiation for 7 hours. The lamp used to provide UV radiation is a 125W HPK ™ mercury vapor lamp. The reactor is thermostatically controlled at 25 ° C throughout the synthesis.
On obtient alors une suspension D, constitué d’une poudre visuellement gris-noir. La poudre dans la suspension D est nommée catalyseur D.A suspension D is then obtained, consisting of a visually gray-black powder. The powder in suspension D is called catalyst D.
Exemple 5 : Suspension EExample 5: Suspension E
0,901 g de Co(N03)2.6H20 (99%, Sigma Aldrich ™) est ajouté dans 985 mL d'éthanol (99,8%, Sigma Aldrich ™). Cette solution est ajoutée dans un réacteur double enveloppe en verre. 12,5 g d’une suspension commerciale de nanoparticules de ZnO dans l’éthanol (40% poids en ZnO, Sigma Aldrich ™) sont alors ajoutés sous agitation pour former une suspension.0.901 g of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 0 (99%, Sigma Aldrich ™) is added to 985 ml of ethanol (99.8%, Sigma Aldrich ™). This solution is added to a double jacket glass reactor. 12.5 g of a commercial suspension of ZnO nanoparticles in ethanol (40% by weight of ZnO, Sigma Aldrich ™) are then added with stirring to form a suspension.
Le mélange est alors laissé sous agitation et sous rayonnement UV pendant 7h. La lampe utilisée pour fournir le rayonnement UV est une lampe HPK™ à vapeur de mercure de 125W. Le réacteur est thermostaté à 25°C tout au Icng de la synthèse.The mixture is then left under stirring and under UV radiation for 7 hours. The lamp used to provide UV radiation is a 125W HPK ™ mercury vapor lamp. The reactor is thermostatically controlled at 25 ° C while Icng of the synthesis.
On obtient alors une suspension E, constitué d’une poudre visuellement gris-noir. La poudre dans la suspension E est nommée catalyseur E.A suspension E is then obtained, consisting of a visually gray-black powder. The powder in suspension E is called catalyst E.
Exemple 6 : Suspension FExample 6: Suspension F
0,903 g de Co(N03)2.6H20 (99%, Sigma Aldrich ™) est ajouté dans 1 L d'isopropanol (99,7%, Sigma Aldrich ™). Cette solution est ajoutée dans un réacteur double enveloppe en verre. 5,02 g de particules de TiO2 de taille moyenne 45 pm (>99%, Sigma Aldrich™) sont alors ajoutés sous agitation pour former une suspension.0.903 g of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 0 (99%, Sigma Aldrich ™) is added in 1 L of isopropanol (99.7%, Sigma Aldrich ™). This solution is added to a double jacket glass reactor. 5.02 g of TiO 2 particles of average size 45 μm (> 99%, Sigma Aldrich ™) are then added with stirring to form a suspension.
Le mélange est alors laissé sous agitation et sous rayonnement UV pendant 7h. La lampe utilisée pour fournir le rayonnement UV est une lampe HPK™ à vapeur de mercure de 125W. Le réacteur est thermostaté à 25°C tout au Icng de la synthèse.The mixture is then left under stirring and under UV radiation for 7 hours. The lamp used to provide UV radiation is a 125W HPK ™ mercury vapor lamp. The reactor is thermostatically controlled at 25 ° C while Icng of the synthesis.
On obtient alors une suspension F, constitué d’une poudre visuellement gris-noir. La poudre dans la suspension F est nommée catalyseur F.This gives a suspension F, consisting of a visually gray-black powder. The powder in suspension F is called catalyst F.
Exemple 7 : Performances catalytiques des catalyseurs A à E en réaction Fischer-Tropsch en réacteur lit fixe.Example 7: Catalytic performances of catalysts A to E in Fischer-Tropsch reaction in fixed bed reactor.
Les suspensions A à E sont centrifugées pendant 20 minutes à 8000 tours par minute afin de récupérer les catalyseurs A à E. Deux lavages à l’eau sont ensuite effectués, chacun des lavages étant suivi d'une centrifugation. Les catalyseurs A à E récupérés sont ensuite placés dans une étuve à 120°C pendant 12 heures.The suspensions A to E are centrifuged for 20 minutes at 8000 revolutions per minute in order to recover the catalysts A to E. Two washes with water are then carried out, each of the washes being followed by a centrifugation. The catalysts A to E recovered are then placed in an oven at 120 ° C for 12 hours.
Une partie des catalyseurs A à E sont prélevés pour analyse par fluorescence X de la teneur en cobalt métallique.Part of the catalysts A to E are removed for analysis by X-ray fluorescence of the metal cobalt content.
Les catalyseurs A, B, C, D et E, avant d'être testés en synthèse Fischer-Tropsch, sont réduits in situ sous un flux d'hydrogène pur à 400°C pendant 16 heures. La réaction de synthèse Fischer-Tropsch est opérée dans un réacteur tubulaire de type lit fixe et fonctionnant en continu.Catalysts A, B, C, D and E, before being tested in Fischer-Tropsch synthesis, are reduced in situ under a flow of pure hydrogen at 400 ° C for 16 hours. The Fischer-Tropsch synthesis reaction is carried out in a tubular reactor of the fixed bed type and operating continuously.
Les conditions de synthèse Fischer-Tropsch sont les suivantes :The Fischer-Tropsch synthesis conditions are as follows:
Température = 216°C ;Temperature = 216 ° C;
Pression totale = 2 MPa ;Total pressure = 2 MPa;
Vitesse volumique horaire (V.V.H.) = 1800 NL/h1/kg.catalyseur ;Hourly volume speed (VVH) = 1800 NL / h 1 /kg.catalyst;
Rapport molaire H2/CO = 2/1.H 2 / CO molar ratio = 2/1.
Les résultats, exprimés en termes d'activité (conversion du CO en %) et de sélectivité (pourcentage massique d’hydrocarbures en C5 + sur l’ensemble des produits formés), ainsi que les teneurs en cobalt mesurées par FX figurent dans le tableau 1 ci-après.The results, expressed in terms of activity (conversion of CO to%) and selectivity (mass percentage of C 5 + hydrocarbons on all the products formed), as well as the cobalt contents measured by FX are shown in the table 1 below.
Tableau 1 : performances catalytiques des catalyseurs A à E en réaction FischerTable 1: catalytic performances of catalysts A to E in Fischer reaction
Tropsch en réacteur lit fixeTropsch in fixed bed reactor
(*) = non détectable(*) = not detectable
Les résultats figurant dans le tableau 1 démontrent que les catalyseurs selon l’invention sont actifs en synthèse Fischer-Tropsch et sélectifs pour la production d’hydrocarbures en C5 +.The results appearing in Table 1 demonstrate that the catalysts according to the invention are active in Fischer-Tropsch synthesis and selective for the production of C 5 + hydrocarbons.
Exemple 8 : Performances catalytiques en procédé Fischer-Tropsch du catalyseur F en réacteur slurry.Example 8: Catalytic performances in Fischer-Tropsch process of catalyst F in slurry reactor.
La suspension F est centrifugée pendant 20 minutes à 8000 tours par minute afin de récupérer le catalyseur F.The suspension F is centrifuged for 20 minutes at 8000 revolutions per minute in order to recover the catalyst F.
Une partie du catalyseur F est prélevé pour analyse par fluorescence X de la teneur en cobalt métallique. Avant analyse, deux lavages à l’eau sont effectués, chacun des lavages étant suivi d'une centrifugation. Le solide récupéré est ensuite placés dans une étuve à 120°C pendant 12 heures. Le solide séché est ensuite dosé par fluorescence X.Part of the catalyst F is removed for analysis by X-ray fluorescence of the metal cobalt content. Before analysis, two washes with water are carried out, each of the washes being followed by centrifugation. The solid recovered is then placed in an oven at 120 ° C for 12 hours. The dried solid is then assayed by X-ray fluorescence.
Sans aucune étape de réduction thermique du catalyseur, la partie restante non séchée et non lavée du catalyseur F est enrobé dans de la Sasolwax® pour être stocké à l'abri de l'air avant test. La réaction de synthèse Fischer-Tropsch est opérée dans un réacteur de type slurry et fonctionnant en continu et opérant avec une concentration de 10% (vol) de catalyseur en phase slurry.Without any step of thermal reduction of the catalyst, the remaining undried and unwashed part of catalyst F is coated in Sasolwax® to be stored in the absence of air before testing. The Fischer-Tropsch synthesis reaction is carried out in a slurry type reactor and operating continuously and operating with a concentration of 10% (vol) of catalyst in the slurry phase.
Le catalyseur se trouve sous forme de poudre de diamètre moyen de particules à 45 pm.The catalyst is in the form of a powder with an average particle diameter of 45 μm.
Les conditions de test sont les suivantes :The test conditions are as follows:
• Température = 230 ° C ;• Temperature = 230 ° C;
• Pression totale = 2MPa ;• Total pressure = 2MPa;
• Rapport molaire H2/CO = 2.• H 2 / CO molar ratio = 2.
La conversion du CO est maintenue entre 45 et 50% pendant toute la durée du test.The CO conversion is maintained between 45 and 50% throughout the duration of the test.
Les conditions de test sont ajustées de façon à être à iso conversion de CO quelle que soit l'activité du catalyseur.The test conditions are adjusted so as to be iso-conversion of CO whatever the activity of the catalyst.
Les résultats ont été calculés pour le catalyseur F en consommation de monoxyde de carbone en mol CO/gcataiyseLlr/h, ainsi qu’en sélectivité vers la formation d’hydrocarbures en C5 +. Les résultats figurent dans le tableau 2 ci-après.The results were calculated for catalyst F in consumption of carbon monoxide in mol CO / g cata i yseLl r / h, as well as in selectivity towards the formation of C 5 + hydrocarbons. The results are shown in Table 2 below.
Tableau 2 : Performances catalytiques du catalyseur F en réaction Fischer Tropsch en réacteur slurryTable 2: Catalytic performances of catalyst F in Fischer Tropsch reaction in slurry reactor
Les résultats figurant dans le tableau 2 démontrent que les catalyseurs selon l’invention sont actifs en synthèse Fischer Tropsch et sélectifs pour la production d’hydrocarbures en C5 +, et que le mode de préparation selon l’invention permet de réduire le nombre d’étape de la synthèse des catalyseurs puisque le catalyseur F est actif en synthèse Fischer Tropsch sans étape de traitement thermique (séchage, réduction, ...) post-synthèse.The results appearing in Table 2 demonstrate that the catalysts according to the invention are active in Fischer Tropsch synthesis and selective for the production of C 5 + hydrocarbons, and that the method of preparation according to the invention makes it possible to reduce the number of 'stage of catalyst synthesis since catalyst F is active in Fischer Tropsch synthesis without heat treatment step (drying, reduction, ...) post-synthesis.
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