FR3094239A1 - CARBON AND OXYGEN BASED MATERIAL USABLE AS A SUPPORT FOR CATALYSIS - Google Patents
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Abstract
Matériau à base de carbone et d’oxygène dont la surface spécifique est supérieure à 100 m²/g, dans lequel le rapport massique de la teneur élémentaire en Oxygène (O) sur celle de Carbone (C) est supérieur à 0,15.Material based on carbon and oxygen with a specific surface area greater than 100 m² / g, in which the mass ratio of the elemental content of Oxygen (O) to that of Carbon (C) is greater than 0.15.
Description
La présente invention se rapporte à un matériaux à base de carbone poreux c'est-à-dire de surface spécifique élevée, notamment supérieure à 100 m2/g, qui peut être plus particulièrement utilisé dans le domaine de la purification d’un fluide, notamment l’air ou un autre gaz chargé en polluants gazeux, tels que notamment le monoxyde de carbone CO, les COV (composés organiques volatiles, le formaldéhyde ou ses dérivés), les hydrocarbures imbrulés « HC », ou même les SOx ou les NOx. Un tel matériau pourrait également servir à la purification d’un gaz ou d’un liquide, mais aussi pour toute application faisant intervenir l’hydrolyse ou l’électrolyse de l’eau.The present invention relates to a material based on porous carbon, that is to say with a high specific surface, in particular greater than 100 m 2 /g, which can be more particularly used in the field of the purification of a fluid. , in particular air or another gas charged with gaseous pollutants, such as in particular carbon monoxide CO, VOCs (volatile organic compounds, formaldehyde or its derivatives), unburnt hydrocarbons "HC", or even SOx or NOx. Such a material could also be used for the purification of a gas or a liquid, but also for any application involving the hydrolysis or electrolysis of water.
Plus particulièrement, l’invention se rapporte aux systèmes de traitement des fluides, en particulier des gaz, à basse température, typiquement de préférence entre 100°C et moins de 350°C, en particulier les systèmes catalytiques, en particulier pour le traitement de gaz, et/ou les systèmes adsorbants, en particulier pour l’absorption d’espèces gazeuses.More particularly, the invention relates to systems for treating fluids, in particular gases, at low temperature, typically preferably between 100° C. and less than 350° C., in particular catalytic systems, in particular for the treatment of gases, and/or adsorbent systems, in particular for the absorption of gaseous species.
Différentes techniques de traitement des COV sont ainsi présentées dans les techniques de l’ingénieur Doc. J 3 928 en particulier en fonction de la concentration, du débit de gaz et du nombre de polluants à traiter. Une technique bien connue consiste notamment en une oxydation des COV en CO2et H2O, les techniques les plus probantes intégrant un traitement par voie thermique.Different VOC treatment techniques are thus presented in the engineering techniques Doc. J 3 928 in particular depending on the concentration, the gas flow and the number of pollutants to be treated. A well-known technique consists in particular of oxidation of the VOCs into CO 2 and H 2 O, the most convincing techniques integrating treatment by thermal means.
Les produits carbonés poreux et leur application comme support catalytique sont connus en particulier des publications « Recent Progress in the synthesis of Porous Carbon Materials » dans Advanced Materials, 2006, 18 page 2073-2094 et « Mesoporous Carbon Materials synthesis and modification » dans Angewandte Chemie Int. Ed. 2008, 47 pages 3696-3717. Les supports catalytiques peuvent être des supports micro- ou/et méso-poreux de carbone obtenus à partir d’un dépôt d’un polymère ou d’une résine sur une empreinte qui sert de modèle (« template » en anglais) suivi d’un séchage et d’une carbonisation. Ledit modèle peut être, par exemple, une zéolithe ou un gel de silice. La structure obtenue peut être respectivement de porosité ordonnée ou désordonnée.Porous carbonaceous products and their application as catalytic support are known in particular from the publications “Recent Progress in the synthesis of Porous Carbon Materials” in Advanced Materials, 2006, 18 page 2073-2094 and “Mesoporous Carbon Materials synthesis and modification” in Angewandte Chemie Int. Ed. 2008, 47 pages 3696-3717. The catalytic supports can be micro- or/and meso-porous carbon supports obtained from a deposit of a polymer or a resin on an impression which serves as a model (“template” in English) followed by drying and carbonization. Said model can be, for example, a zeolite or a silica gel. The structure obtained can be respectively of ordered or disordered porosity.
L’apport d’hétéroatomes tels que l’azote N à la surface d’un support poreux de carbone est aussi connu de la publication « Nitrogen Doping Effects on the Physical and Chemical Properties of Mesoporous Carbons » dans « The Journal of Physical Chemistry C » 2013, 117, page 8318-8328. Le dopage par des hétéroatomes est généralement effectué sur un support carboné présynthétisé, par exemple par un chauffage sous atmosphère azotée ou par attaque à l’ammoniac s’agissant du dopage à l’azote. Les auteurs de la précédente publication proposent de faire un dopage en azote in-situ du support carboné par ajout d’un précurseur tel que la mélamine, avant séchage puis carbonisation. De tels supports présentent une stabilité thermique améliorée mais une activité catalytique, notamment la conversion de CO en CO2, insuffisante à faible température.The contribution of heteroatoms such as nitrogen N to the surface of a porous carbon support is also known from the publication "Nitrogen Doping Effects on the Physical and Chemical Properties of Mesoporous Carbons" in "The Journal of Physical Chemistry C » 2013, 117, pages 8318-8328. Doping with heteroatoms is generally carried out on a presynthesized carbon support, for example by heating in a nitrogenous atmosphere or by attack with ammonia in the case of nitrogen doping. The authors of the previous publication propose to do an in-situ nitrogen doping of the carbonaceous support by adding a precursor such as melamine, before drying and then carbonization. Such supports have improved thermal stability but insufficient catalytic activity, in particular the conversion of CO to CO 2 , at low temperature.
L’un des buts de la présente invention est de pallier à de tels manques, en permettant notamment la conversion d’une quantité substantielle des espèces polluantes, en particulier du type monoxyde de carbone CO, en atmosphère oxydante, dans un domaine de température compris entre 100 et 300°C, et en particulier inférieur à 250°C, sans dégradation substantielle du catalyseur et en particulier de son support à base de carbone.One of the aims of the present invention is to remedy such shortcomings, in particular by allowing the conversion of a substantial quantity of polluting species, in particular of the carbon monoxide CO type, in an oxidizing atmosphere, in a temperature range comprised between 100 and 300° C., and in particular below 250° C., without substantial degradation of the catalyst and in particular of its carbon-based support.
Autrement dit, il existe actuellement un besoin pour un système catalytique et /ou absorbant comprenant un support carboné poreux, autonome et stable en atmosphère oxydante à une température comprise entre 100 et 300°C, et en particulier inférieure à 250°C, conduisant à une performance catalytique améliorée, notamment une meilleure élimination directe des polluants.In other words, there currently exists a need for a catalytic and/or absorbent system comprising a porous carbon support, autonomous and stable in an oxidizing atmosphere at a temperature between 100 and 300° C., and in particular less than 250° C., leading to improved catalytic performance, including better direct removal of pollutants.
Selon un premier aspect, la présente invention se rapporte à un matériau, pouvant notamment servir de support, à base de carbone et d’oxygène, notamment un support de catalyseur, notamment utilisable en particulier pour l’élimination de CO, des composés organiques volatiles (COV),des hydrocarbures imbrulés « HC », le formaldéhyde ou ses dérivés, ou même les SOx ou les NOx, dont la surface spécifique est supérieure à 100 m²/g et dans lequel le rapport massique O/C de la teneur élémentaire en Oxygène (O) sur celle de Carbone (C) est supérieur à 0,15, de préférence supérieur ou égal à 0,16, voire même supérieur à 0,20, ou même supérieur à 0,25.According to a first aspect, the present invention relates to a material, which can in particular serve as a support, based on carbon and oxygen, in particular a catalyst support, in particular usable in particular for the elimination of CO, volatile organic compounds (VOC) , unburned hydrocarbons "HC", formaldehyde or its derivatives, or even SOx or NOx, whose specific surface is greater than 100 m²/g and in which the O/C mass ratio of the elementary content of Oxygen (O) over that of Carbon (C) is greater than 0.15, preferably greater than or equal to 0.16, or even greater than 0.20, or even greater than 0.25.
De préférence encore le rapport massique de la teneur élémentaire en Oxygène (O) sur celle de Carbone (C) est inférieur à 0,53 de préférence encore est inférieur à 0,52, et de manière très préférée inférieur à 0,51, ou même inférieur à 0,50.More preferably, the mass ratio of the elementary content of Oxygen (O) to that of Carbon (C) is less than 0.53, more preferably is less than 0.52, and very preferably less than 0.51, or even less than 0.50.
Par teneur élémentaire, on entend la teneur en l’élément chimique considéré dans ledit matériau (par exemple l’oxygène élémentaire O ou le carbone élémentaire C).By elemental content, we mean the content of the chemical element considered in said material (for example elemental oxygen O or elemental carbon C).
La surface spécifique du matériau carboné poreux selon l’invention est déterminée selon la méthode BET. Cette méthode de mesure de surface spécifique par adsorption de gaz inerte, développée par S.Brunauer, P.H.Emmet et J.Teller, est connue depuis longtemps par l’homme de la technique, en particulier de la publication « Journal of American Chemical Society 60 (1938), pages 309 à 316 ».The specific surface of the porous carbonaceous material according to the invention is determined according to the BET method. This specific surface measurement method by adsorption of inert gas, developed by S. Brunauer, P.H. Emmet and J. Teller, has long been known to those skilled in the art, in particular from the publication “Journal of American Chemical Society 60 (1938), pp. 309-316”.
Les teneurs massiques élémentaires en O et en N peuvent être déterminées après pyrolyse sous gaz inerte, par exemple au moyen d’un analyseur commercialisé sous la référence TC-436DR par la société LECO Corporation.The elementary mass contents of O and N can be determined after pyrolysis under inert gas, for example by means of an analyzer marketed under the reference TC-436DR by the company LECO Corporation.
La teneur massique élémentaire (totale) en C peut être déterminée après pyrolyse sous gaz inerte, par exemple au moyen d’un analyseur commercialisé sous la référence LECO CS 300 par la société LECO Corporation.The elementary (total) mass content of C can be determined after pyrolysis under inert gas, for example by means of an analyzer marketed under the reference LECO CS 300 by the company LECO Corporation.
Une telle proportion d’oxygène dans un matériau selon l’invention est caractéristique d’un matériau dont une partie significative de l’oxygène est présent non seulement à la surface du matériau mais aussi au sein du réseau carboné, indépendamment de la forte surface spécifique dudit matériau. La présence d’un tel taux d’oxygène dans un réseau de carbone selon l’invention permet d’obtenir une efficacité catalytique fortement améliorée tout en maintenant une stabilité en température, en particulier entre 100°C et 300°C.Such a proportion of oxygen in a material according to the invention is characteristic of a material in which a significant part of the oxygen is present not only at the surface of the material but also within the carbon network, independently of the high specific surface. of said material. The presence of such a level of oxygen in a carbon network according to the invention makes it possible to obtain a greatly improved catalytic efficiency while maintaining temperature stability, in particular between 100°C and 300°C.
Au sens de la présente description les COV incluent en particulier le formaldéhyde, l’acétaldéhyde, l’acétone, l’acroléine, l’hexacholorobutadiène, les composés aromatiques BTEX (tels que le benzène, toluène, xylene, éthylbenzene, styrène, triméthylbenzène), le 1,2-dichlorobenzène, le 1,3-butadiène, le chlorure de benzyl, le tétrachlorure de carbone, le chlorure de vinyle, l’acrylonitrile, le dodecane, les éthers, le glycol, les composés aliphatiques d’hydrocarbures, l’acétate d’éthyle, les terpènes.Within the meaning of this description, VOCs include in particular formaldehyde, acetaldehyde, acetone, acrolein, hexacholorobutadiene, aromatic compounds BTEX (such as benzene, toluene, xylene, ethylbenzene, styrene, trimethylbenzene) , 1,2-dichlorobenzene, 1,3-butadiene, benzyl chloride, carbon tetrachloride, vinyl chloride, acrylonitrile, dodecane, ethers, glycol, aliphatic compounds of hydrocarbons, ethyl acetate, terpenes.
Selon des modes de réalisation préférés mais non limitatifs du matériau selon l’invention, qui peuvent être le cas échéant combinés entre eux :According to preferred but non-limiting embodiments of the material according to the invention, which can be combined with each other if necessary:
- La teneur massique du matériau en élément oxygène (O) est supérieure à 12%, de préférence supérieure à 15%, voire même supérieur à 20% ou de préférence encore supérieur à 22%.- The mass content of the material in oxygen element (O) is greater than 12%, preferably greater than 15%, or even greater than 20% or even more preferably greater than 22%.
- La teneur massique du matériau en élément oxygène (O) est inférieure à 35%, de préférence encore inférieure à 33%.- The mass content of the material in oxygen element (O) is less than 35%, more preferably still less than 33%.
- La teneur massique du matériau en élément Carbone est supérieure à 50%, de préférence supérieure à 60%, de préférence encore supérieure à 65%.- The carbon element content by weight of the material is greater than 50%, preferably greater than 60%, more preferably greater than 65%.
- la teneur massique du matériau en élément Carbone est inférieure à 77,5%.- the carbon element mass content of the material is less than 77.5%.
- La teneur massique du matériau en élément oxygène (O) est inférieure à 87%, de préférence inférieure à 85% ou même inférieur à 80%.- The mass content of the material in oxygen element (O) is less than 87%, preferably less than 85% or even less than 80%.
- La teneur massique cumulée du matériau en élément oxygène et en élément Carbone est supérieure à 75%, de préférence supérieure à 80%, de manière très préférée supérieure à 90% ou même supérieure à 95%.- The cumulative mass content of the material in oxygen element and in carbon element is greater than 75%, preferably greater than 80%, very preferably greater than 90% or even greater than 95%.
- La teneur massique du matériau en élément azote (N) est inférieure ou égale à 5%, de préférence inférieure à 3%, voire inférieure à 4% ou même inférieure à 1%.- The mass content of the material in nitrogen element (N) is less than or equal to 5%, preferably less than 3%, or even less than 4% or even less than 1%.
- Le rapport massique (O/N) de la teneur élémentaire en oxygène (O) sur celle de l’azote (N) dudit matériau est supérieur à 2, de préférence supérieur à 3, ou supérieur à 10, voire même supérieur à 30, de préférence supérieur à 50, supérieur à 100, voir même supérieur à 200.- The mass ratio (O/N) of the elementary content of oxygen (O) to that of nitrogen (N) of said material is greater than 2, preferably greater than 3, or greater than 10, or even greater than 30 , preferably greater than 50, greater than 100, or even greater than 200.
- Le rapport massique de la teneur élémentaire en oxygène (O) sur celle de l’azote (N) dudit matériau est inférieur à 345, de préférence inférieur à 330.- The mass ratio of the elementary content of oxygen (O) to that of nitrogen (N) of said material is less than 345, preferably less than 330.
- La surface spécifique du matériau est supérieure à 300 m²/g, ou supérieure à 500 m²/g. De préférence encore elle est supérieure à 1000 m²/g, de préférence supérieure à 1500 m²/g. De préférence elle est inférieure à 3000 m²/g, en particulier afin de permettre une stabilité suffisante à une température comprise entre 100 et 350°C.- The specific surface of the material is greater than 300 m²/g, or greater than 500 m²/g. More preferably it is greater than 1000 m²/g, preferably greater than 1500 m²/g. Preferably, it is less than 3000 m²/g, in particular in order to allow sufficient stability at a temperature of between 100 and 350°C.
- le matériau présente un degré de graphitisation caractérisé par un ratio ID/IGcompris entre 0,8 et 1,35, tel que déterminé par la spectroscopie Raman, IDet IGcorrespondant respectivement aux intensités du pic à 1360 cm-1et 1575 cm-1, mesurées sur un spectre compris entre 1000 et 1800 cm-1. La détermination de tels pics étant par exemple décrite dans la publication « Cuesta et al Carbon, Vol. 32, No. 8, pp. 1523-1532, 1994) ». De préférence le ratio ID/IGdu matériau selon l’invention est inférieur à 1,15, voire inférieur à 1,1.- the material has a degree of graphitization characterized by an I D /I G ratio of between 0.8 and 1.35, as determined by Raman spectroscopy, I D and I G corresponding respectively to the intensities of the peak at 1360 cm - 1 and 1575 cm -1 , measured on a spectrum between 1000 and 1800 cm -1 . The determination of such peaks being for example described in the publication “Cuesta et al Carbon, Vol. 32, No. 8, p. 1523-1532, 1994)”. Preferably, the I D /I G ratio of the material according to the invention is less than 1.15, or even less than 1.1.
L’invention concerne également un système catalytique comprenant un support comprenant ou constitué essentiellement par un matériau à base de carbone et d’oxygène tel que décrit précédemment.The invention also relates to a catalytic system comprising a support comprising or consisting essentially of a material based on carbon and oxygen as described above.
Selon un mode possible, dans le système catalytique selon l’invention, le support peut être revêtu d’un catalyseur, de préférence un métal catalytique ou un oxyde comprenant un élément choisi parmi Pt, Pd, Rh, Ru, Cu, Mn, Ag, Ni, Fe et Au.According to one possible mode, in the catalytic system according to the invention, the support can be coated with a catalyst, preferably a catalytic metal or an oxide comprising an element chosen from Pt, Pd, Rh, Ru, Cu, Mn, Ag , Ni, Fe and Au.
En particulier un ou plusieurs éléments du type de ceux connus pour favoriser l’oxydation des CO, COV ou HC, en particulier parmi Pt, Pd, Rh, Au.In particular one or more elements of the type of those known to promote the oxidation of CO, VOC or HC, in particular among Pt, Pd, Rh, Au.
Dans le système catalytique selon l’invention, selon un mode possible, les métaux ou leurs oxydes, en particulier les métaux précieux, sont déposés à la surface du système par imprégnation, notamment de métaux précieux, du type de ceux connus à ce jour pour favoriser l’oxydation des CO, COV ou HC, notamment ceux à base de Pt, Pd, Rh, Au.In the catalytic system according to the invention, according to one possible mode, the metals or their oxides, in particular the precious metals, are deposited on the surface of the system by impregnation, in particular of precious metals, of the type of those known to date for promote the oxidation of CO, VOC or HC, in particular those based on Pt, Pd, Rh, Au.
Le système catalytique tel que décrit précédemment peut avantageusement être utilisé pour la synthèse ou la dépollution de gaz, fonctionnant à une température moyenne supérieure à 90°C, de préférence supérieure à 100°C, et inférieure à 350°, de préférence à inférieure à 300°C, voire inférieure à 250°C.The catalytic system as described above can advantageously be used for the synthesis or depollution of gases, operating at an average temperature above 90° C., preferably above 100° C., and below 350°, preferably below 300°C, or even less than 250°C.
Le système catalytique tel que décrit précédemment peut avantageusement être utilisé pour la purification de l’air intérieur et/ou extérieur, en particulier dans les habitations, les habitacles, notamment des véhicules motorisés, ou les espaces confinés, notamment les aéronefs.The catalytic system as described above can advantageously be used for the purification of indoor and/or outdoor air, in particular in dwellings, passenger compartments, in particular motorized vehicles, or confined spaces, in particular aircraft.
La présente invention se rapporte en outre à l’utilisation du système catalytique tel que précédemment décrit pour la dépollution d’un gaz issu :The present invention also relates to the use of the catalytic system as described above for the pollution control of a gas resulting from:
-des systèmes de combustion pour la production d'énergie ;-combustion systems for energy production;
-les systèmes de combustion dans le tertiaire et le résidentiel, notamment les systèmes de chauffage produisant des gaz à traiter comme CO, les HC, les COV voire les NOx;-combustion systems in the tertiary and residential sectors, in particular heating systems producing gases to be treated such as CO, HC, VOCs and even NOx;
-les systèmes de combustion dans l'industrie en particulier les industries verrière, sidérurgique, cimentière;-combustion systems in industry, in particular the glass, steel and cement industries;
-les transports terrestres, maritimes et aériens;- land, sea and air transport;
-le traitement des déchets, en particulier les incinérateurs.- waste treatment, in particular incinerators.
De préférence, le système catalytique est placé dans un environnement en température compris entre 90°C et 350°C.Preferably, the catalytic system is placed in an environment at a temperature of between 90°C and 350°C.
Un système catalytique selon l’invention peut donc être utilisé pour la synthèse ou la dépollution de gaz, fonctionnant à une température moyenne supérieure à 90°C et inférieure 350°C ou alternativement pour la purification de l’air intérieur et/ou extérieur, en particulier dans les habitations, les habitacles ou les espaces confinés.A catalytic system according to the invention can therefore be used for the synthesis or depollution of gases, operating at an average temperature above 90° C. and below 350° C. or alternatively for the purification of indoor and/or outdoor air, especially in homes, passenger compartments or confined spaces.
L’invention se rapporte notamment à l’utilisation du système catalytique tel que précédemment décrit pour la réalisation d’un réacteur catalytique de synthèse de gaz, notamment à un réacteur à membrane.The invention relates in particular to the use of the catalytic system as described above for producing a catalytic gas synthesis reactor, in particular to a membrane reactor.
L’invention se rapporte également à un procédé de fabrication dudit matériau carboné décrit précédemment.The invention also relates to a process for manufacturing said carbonaceous material described above.
Le procédé comprend les étapes essentielles suivantes :The process comprises the following essential steps:
-préparation d’un mélange d’au moins un précurseur de Carbone et d’une source d’Oxygène sous forme d’un polymère choisi parmi les monosaccharides, les disaccharides ; les polyols ; les polysaccharides ledit polymère étant ajouté graduellement dans une solution basique maintenue à une température afin de démarrer la réaction de polymérisation,-preparation of a mixture of at least one carbon precursor and an oxygen source in the form of a polymer chosen from monosaccharides, disaccharides; polyols; the polysaccharides said polymer being added gradually in a basic solution maintained at a temperature in order to start the polymerization reaction,
-ajout d’un matériau d’empreinte ou de modèle de réplication, de préférence un précurseur de gel de silice, au mélange à une température contrôlée afin de continuer la réaction polymérisation,- adding an impression material or replication model, preferably a silica gel precursor, to the mixture at a controlled temperature in order to continue the polymerization reaction,
-refroidissement puis séchage,- cooling then drying,
-carbonisation, de préférence par pyrolyse, de ladite poudre,-carbonization, preferably by pyrolysis, of said powder,
-mélange de ladite poudre carbonisée à une solution basique, de préférence sous agitation et température contrôlée, afin d’éliminer le matériau d’empreinte ou le modèle de réplication.- mixing said carbonized powder with a basic solution, preferably with stirring and controlled temperature, in order to eliminate the impression material or the replication model.
De préférence et plus en détail, le procédé de fabrication dudit matériau carboné comprend les étapes suivantes :Preferably and in more detail, the process for manufacturing said carbonaceous material comprises the following steps:
i- préparation d’un mélange d’au moins a) un précurseur de Carbone, de préférence une résine phénolique et/ou formaldéhyde et b) d’une source d’oxygène sous forme d’un polymère choisi parmi les monosaccharides, tels que de préférence le glucose, fructose, galactose, xylose, les disaccharides tels que de préférence le lactose, maltose, sucrose, tréhalose, cellobiose, chitobiose ; les polyols tels que le sorbitol, mannitol ; les polysaccharides tels que de préférence l’amidon, l’amylose, l’amylopectine, le glycogène, la cellulose, l’hémicellulose, les pectines, la chitine. Ledit polymère est ajouté graduellement dans une solution basique, de préférence de soude (NaOH), afin d’atteindre un pH compris entre 8.5 et 12, qui est maintenue à une température, de préférence supérieure ou égale 70°C, de préférence sous agitation afin de favoriser l’homogénéisation du mélange, par exemple selon une vitesse de 250 rpm (tour par minute) pendant au moins 20 minutes, dans le but de permettre le démarrage de la réaction de polymérisation sans ou avec très faible réaction de vaporisation.i- preparation of a mixture of at least a) a carbon precursor, preferably a phenolic and/or formaldehyde resin and b) an oxygen source in the form of a polymer chosen from monosaccharides, such as preferably glucose, fructose, galactose, xylose, disaccharides such as lactose, maltose, sucrose, trehalose, cellobiose, chitobiose; polyols such as sorbitol, mannitol; polysaccharides such as preferably starch, amylose, amylopectin, glycogen, cellulose, hemicellulose, pectins, chitin. Said polymer is added gradually to a basic solution, preferably sodium hydroxide (NaOH), in order to reach a pH of between 8.5 and 12, which is maintained at a temperature, preferably greater than or equal to 70°C, preferably with stirring. in order to promote the homogenization of the mixture, for example at a speed of 250 rpm (revolution per minute) for at least 20 minutes, with the aim of allowing the polymerization reaction to start without or with a very weak vaporization reaction.
ii- ajout d’un matériau inorganique d’emprunte ou de modèle de réplication rigide (« hard template » en anglais) , notamment un silicate ou un aluminosilicate, par exemple une zéolite, des nanoparticules de silice ou de la silice mésoporeuse, en particulier sous forme d’un précurseur de gel de silice, par exemple du Ludox SM-30, à ce mélange, le mélange étant porté ensuite à une température permettant la continuation de la réaction de polymérisation, sous atmosphère confinée de manière à éviter l’évaporation du mélange, par exemple à une température de 80°C en atmosphère fermée, de préférence dans une atmosphère confinée sous une pression inférieure à 1,5 bars, pendant 3 jours, sans agitation.ii- addition of an inorganic borrowing material or rigid replication model ("hard template"), in particular a silicate or an aluminosilicate, for example a zeolite, silica nanoparticles or mesoporous silica, in particular in the form of a precursor of silica gel, for example Ludox SM-30, to this mixture, the mixture then being brought to a temperature allowing the continuation of the polymerization reaction, under a confined atmosphere so as to avoid evaporation of the mixture, for example at a temperature of 80° C. in a closed atmosphere, preferably in a confined atmosphere under a pressure of less than 1.5 bars, for 3 days, without stirring.
iii- refroidissement, optionnellement broyage et séchage, cette dernière étape permettant de préférence d’éliminer l’eau résiduelle, par exemple à 80°C pendant au moins 12h. La poudre obtenue de couleur brune est typiquement tamisée à 250 µm.iii- cooling, optionally grinding and drying, this last step preferably allowing the residual water to be eliminated, for example at 80°C for at least 12 hours. The brown powder obtained is typically sieved at 250 μm.
iv-carbonisation, en particulier pyrolyse, de ladite poudre tamisée selon un traitement thermique sous atmosphère neutre (en particulier d’argon) entre 800°C et 1000°C, de préférence pendant 3 heures selon une vitesse de rampe de 5°C /minute.iv-carbonization, in particular pyrolysis, of said sieved powder according to a heat treatment under a neutral atmosphere (in particular of argon) between 800°C and 1000°C, preferably for 3 hours according to a ramp rate of 5°C / minute.
v-mélange de ladite poudre carbonisée ainsi obtenue, avec une solution acide, par exemple d’acide fluorhydrique par exemple à température ambiante ; ou avec une solution basique, de préférence une solution de soude, de préférence à pH de l’ordre de de 12, typiquement de concentration 2M, sous agitation et température contrôlée à 80°C de préférence pendant 15h afin d’éliminer la silice du matériau d’emprunte ou de réplication. Après filtration et lavage jusqu’à pH neutre, ladite poudre filtrée et lavée est séchée, de préférence à 100°C pendant 15h, afin de constituer un matériau à base de carbone et d’oxygène selon l’invention.v-mixing of said carbonized powder thus obtained, with an acid solution, for example of hydrofluoric acid, for example at room temperature; or with a basic solution, preferably a sodium hydroxide solution, preferably at a pH of around 12, typically at a concentration of 2M, with stirring and controlled temperature at 80°C preferably for 15 hours in order to remove the silica from the borrowing or replicating material. After filtration and washing to neutral pH, said filtered and washed powder is dried, preferably at 100° C. for 15 hours, in order to form a carbon- and oxygen-based material according to the invention.
L’invention se rapporte également à un procédé de dépôt d’un catalyseur sur le support formé par le matériau carboné tel que fabriqué précédemment. De préférence le procédé de dépôt comprend les étapes suivantes :The invention also relates to a process for depositing a catalyst on the support formed by the carbonaceous material as previously manufactured. Preferably, the deposition process comprises the following steps:
-le dépôt du catalyseur par imprégnation du support. Le support est placé dans de l’eau déionisée pendant 10 à 20 minutes sous sonication, notamment sous ultrasons. La quantité appropriée de catalyseur est dissoute dans l’eau, le mélange est soumis à sonication pendant 20 minutes suivi d’un chauffage à 80°C (sous air) sous agitation constante pendant 6h. L’eau est ensuite vaporisée dans un évaporateur et le support catalysé est séché à 80°C pendant 12heures.-the deposition of the catalyst by impregnation of the support. The support is placed in deionized water for 10 to 20 minutes under sonication, in particular under ultrasound. The appropriate quantity of catalyst is dissolved in water, the mixture is subjected to sonication for 20 minutes followed by heating at 80°C (under air) with constant stirring for 6 hours. The water is then vaporized in an evaporator and the catalyzed support is dried at 80°C for 12 hours.
Sur la figure 1 est reporté un diagramme de spectroscopie Raman réalisé sur plusieurs exemples décrits ci-après à l’aide d’un spectroscope ThermoScientific DXRxi muni d’un laser de 532nm, de puissance de 5 mW. Le faisceau laser est focalisé sur l’échantillon au travers d’un microscope proposant un fort niveau de grossissement (par exemple au moins 50x). Les diagrammes obtenus sont caractéristiques d’un support carboné fortement graphitisé.Figure 1 shows a Raman spectroscopy diagram produced on several examples described below using a ThermoScientific DXRxi spectroscope equipped with a 532 nm laser, with a power of 5 mW. The laser beam is focused on the sample through a microscope offering a high level of magnification (for example at least 50x). The diagrams obtained are characteristic of a highly graphitized carbon support.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture des exemples non limitatifs qui suivent :The invention and its advantages will be better understood on reading the following non-limiting examples:
a)Préparation des supports : a) Preparation of supports:
Exemple 1 (comparatif)Example 1 (comparative)
20,93 grammes d’un mélange comprenant 7.34 g de phénol (Merck, 99%) et 12.66 g d’une solution aqueuse de formaldéhyde (Sigma-Aldrich, concentration massique 37% dans l’eau, stabilisé avec du méthanol) sont ajoutés graduellement à 100mL d’une solution de soude (NaOH) à 0,2 M afin d’atteindre un pH de 9, chauffée à une température de 70°C sous agitation selon une vitesse de 250 rpm pendant au moins 20 minutes.20.93 grams of a mixture comprising 7.34 g of phenol (Merck, 99%) and 12.66 g of an aqueous solution of formaldehyde (Sigma-Aldrich, mass concentration 37% in water, stabilized with methanol) are added gradually to 100 mL of a 0.2 M sodium hydroxide solution (NaOH) in order to reach a pH of 9, heated to a temperature of 70° C. with stirring at a speed of 250 rpm for at least 20 minutes.
100 grammes d’un précurseur de gel de silice, Ludox SM-30®, est ajouté à ce mélange, le mélange étant porté ensuite à une température de 80°C en atmosphère d’air dans un réservoir fermé pendant 3 jours sans agitation. Après refroidissement, puis broyage, le mélange est séché à 80°C pendant au moins 12h. La poudre obtenue, de couleur brune, est tamisée à 250 µm. La poudre tamisée est pyrolysée sous atmosphère neutre (azote) à 800°C pendant 3 heures selon une vitesse de rampe de 5°C / minute. La poudre carbonisée obtenue est mélangée à une solution de soude de concentration 2M sous agitation et à une température contrôlée de 80°C pendant 15h. Après filtration et lavage jusqu’à pH neutre, la poudre filtrée et lavée est séchée à 100°C pendant 15h, afin de constituer un support carboné poreux.100 grams of a silica gel precursor, Ludox SM-30®, is added to this mixture, the mixture then being brought to a temperature of 80°C in an air atmosphere in a closed tank for 3 days without stirring. After cooling, then grinding, the mixture is dried at 80° C. for at least 12 hours. The powder obtained, brown in color, is sieved at 250 μm. The sieved powder is pyrolyzed under a neutral atmosphere (nitrogen) at 800° C. for 3 hours according to a ramp rate of 5° C./minute. The carbonized powder obtained is mixed with a 2M concentration sodium hydroxide solution with stirring and at a controlled temperature of 80° C. for 15 hours. After filtration and washing to neutral pH, the filtered and washed powder is dried at 100°C for 15 hours, in order to form a porous carbon support.
Exemple 2 (comparatif) :Example 2 (comparative):
Un support est réalisé selon le même procédé que l’exemple 1. Sa surface est ensuite fonctionnalisée avec des espèces « O » en oxydant la surface. 4,02 g d’un échantillon de support est placé dans 100 ml d’eau deionisée. 2,5 g d’acide nitrique (concentration massique 65 %) sont ajoutés au mélange qui est mis sous agitation à température ambiante pendant 4heures. Le support ainsi fonctionnalisé est lavé à l’eau deionisée pour éliminer l’excès d’acide puis séché à 100°C pendant 15h.A support is made using the same process as Example 1. Its surface is then functionalized with “O” species by oxidizing the surface. 4.02 g of a support sample is placed in 100 ml of deionized water. 2.5 g of nitric acid (mass concentration 65%) are added to the mixture which is stirred at ambient temperature for 4 hours. The support thus functionalized is washed with deionized water to eliminate the excess acid then dried at 100° C. for 15 h.
Exemple 3 (selon invention) :Example 3 (according to invention):
Le support est réalisé selon le même procédé que l’exemple 1 mais 7,02 grammes de glucose fourni par AnalaR NORMAPUR® sont ajoutés à la résine.The support is made using the same process as example 1 but 7.02 grams of glucose supplied by AnalaR NORMAPUR® are added to the resin.
Exemple 4 (selon l’invention) :Example 4 (according to the invention):
Le support est réalisé selon le même procédé que l’exemple 1 mais 28,15 grammes de glucose sont ajoutés à la résine.The support is produced according to the same process as example 1 but 28.15 grams of glucose are added to the resin.
Exemple 5 (selon l’invention) :Example 5 (according to the invention):
Le support est réalisé selon le même procédé que l’exemple 1 mais 50,02 grammes de glucose sont ajoutés à la résine.The support is produced according to the same process as example 1 but 50.02 grams of glucose are added to the resin.
Exemple 6 (comparatif) :Example 6 (comparative):
Le support est réalisé selon le même procédé que l’exemple 1 mais 19,69 grammes de mélamine (99 % pureté) fournie par Sigma-Aldrich sont ajoutés à la résine.The support is produced according to the same process as example 1 but 19.69 grams of melamine (99% purity) supplied by Sigma-Aldrich are added to the resin.
Exemple 7 (comparatif) :Example 7 (comparative):
Le support est réalisé selon le même procédé que l’exemple 1 mais 70. 52 grammes de glucose est ajouté à la résine.The support is made using the same process as example 1 but 70.52 grams of glucose is added to the resin.
Les résultats de caractérisation (par analyse LECO tel que précédemment décrit) des supports obtenus (avant dépôt de catalyseur) sont exposés dans le tableau 1 qui suit :The characterization results (by LECO analysis as described above) of the supports obtained (before catalyst deposition) are set out in Table 1 below:
b)Préparation des supports catalysés : b) Preparation of the catalyzed supports:
Le dépôt du catalyseur sur les supports carbonés poreux des exemples précédents est réalisé par les techniques connues d’imprégnation. Chaque support est placé dans de l’eau déionisée pendant 10-20 minutes sous sonication par ultrasons. Du nitrate de Pt est dissout dans l’eau deionisée afin d’obtenir une solution de concentration de 0.21 g/litre d’eau. Cette solution est ajoutée en goutte-à-goutte à la suspension du support dans l’eau afin de fixer 1% poids de Platine sur le support.The deposition of the catalyst on the porous carbonaceous supports of the previous examples is carried out by known impregnation techniques. Each support is placed in deionized water for 10-20 minutes under ultrasonic sonication. Pt nitrate is dissolved in deionized water to obtain a solution with a concentration of 0.21 g/litre of water. This solution is added drop by drop to the suspension of the support in water in order to fix 1% weight of Platinum on the support.
Le mélange aqueux est ensuite soumis à sonication par ultrasons pendant 20 minutes, suivi d’un chauffage à 80°C sous air et sous agitation constante pendant 6h. L’eau est ensuite vaporisée dans un évaporateur puis le support catalysé est séché à 80°C pendant 12 heures.The aqueous mixture is then subjected to ultrasound sonication for 20 minutes, followed by heating at 80°C in air and under constant stirring for 6 hours. The water is then vaporized in an evaporator then the catalyzed support is dried at 80°C for 12 hours.
c)Description des tests effectués c) Description of the tests carried out
Test de conversion du COCO conversion test
Un échantillon de poudre de support catalysé des exemples selon l’invention et de ceux comparatifs précédemment décrits, est placé dans un réacteur en quartz à lit fixe. Plus précisément, environ 100 mg du système catalytique est introduit dans le réacteur, équipé d’un fritté poreux en quartz supportant la poudre de support catalysé. Le volume de la poudre échantillon catalyseur est de l’ordre 0,30 cm3. La poudre échantillon est mise sous courant d’Hélium (10 L/h) à la pression atmosphérique et à température ambiante afin d’éliminer les traces d’oxygène. L’échantillon est réduit sous un mélange d’hélium et hydrogène gazeux (40% volumique H2) à une température de 200°C et un débit de 10NL/h pendant 77 minutes. Puis un mélange réactionnel, composé d’un mélange CO/O2/He, est introduit sur le catalyseur selon un débit total de 10 NL/h. Le mélange gazeux comprend initialement 3000 ppm de O2pour 2000 ppm de CO. La température du réacteur dans lequel est placé le lit de poudre est augmentée progressivement de l’ambiant jusqu’à 300°C selon une vitesse de rampe 2°C/min.A sample of catalyzed support powder from the examples according to the invention and from those comparative ones previously described, is placed in a fixed-bed quartz reactor. More specifically, approximately 100 mg of the catalytic system is introduced into the reactor, equipped with a porous quartz frit supporting the catalyzed support powder. The volume of the sample catalyst powder is of the order of 0.30 cm 3 . The sample powder is placed under a stream of helium (10 L/h) at atmospheric pressure and at ambient temperature in order to eliminate traces of oxygen. The sample is reduced under a mixture of helium and hydrogen gas (40% by volume H 2 ) at a temperature of 200° C. and a flow rate of 10NL/h for 77 minutes. Then a reaction mixture, composed of a CO/O 2 /He mixture, is introduced onto the catalyst at a total flow rate of 10 NL/h. The gas mixture initially comprises 3000 ppm of O 2 for 2000 ppm of CO. The temperature of the reactor in which the powder bed is placed is gradually increased from ambient to 300° C. at a ramp rate of 2° C./min.
Une analyse des gaz en ligne est assurée par un microchromatographe (Agilent, R-3000) équipé de deux voies d’analyse en parallèle, chacune disposant d’un micro-détecteur catharométrique (TCD). La première voie, tamis moléculaire 5A, 14 m de longueur et 10,32 mm de diamètre, est équipée d’une pré-colonne (Back-flush) permettant de séparer les petites molécules (en particulier O2et CO). La seconde voie est équipée d’une colonne PLOT U (6 m x 0,32 mm), utilisée pour séparer les molécules plus grosses (dioxyde de carbone).On-line gas analysis is provided by a microchromatograph (Agilent, R-3000) equipped with two parallel analysis channels, each with a katharometric micro-detector (TCD). The first channel, 5A molecular sieve, 14 m long and 10.32 mm in diameter, is equipped with a pre-column (Back-flush) allowing the separation of small molecules (in particular O 2 and CO). The second channel is equipped with a PLOT U column (6 mx 0.32 mm), used to separate larger molecules (carbon dioxide).
On détermine ainsi des valeurs comparatives T20et T50,correspondant aux températures pour lesquelles des pourcentages respectivement de 20% et de 50% en volume du CO initialement présent sont convertis en CO2.Comparative values T 20 and T 50 are thus determined, corresponding to the temperatures for which percentages of 20% and 50% respectively by volume of the CO initially present are converted into CO 2 .
Test de stabilité:Stability test:
Les poudres supports non imprégnés de catalyseur sont placées dans un réacteur sous flux d’Hélium de 10NL/h, la concentration d’oxygène étant contrôlée et maintenue à 3000 ppm, la température étant augmentée selon une rampe de 10°C/min jusqu’à 200°C. On suit la formation de CO2par micro-chromatographie. On mesure par le microchromatographe la quantité de CO2dégagée à 200°C. Une proportion de CO2d’autant plus élevée signifie une décomposition et donc une instabilité thermique plus importante du support. Une teneur en CO2inférieure à 80 ppm et de préférence inférieure à 70 ppm démontre au contraire une stabilité acceptable du matériau constituant le substrat.The support powders not impregnated with catalyst are placed in a reactor under a helium flow of 10NL/h, the oxygen concentration being controlled and maintained at 3000 ppm, the temperature being increased according to a ramp of 10°C/min up to at 200°C. The formation of CO 2 is monitored by micro-chromatography. The quantity of CO 2 released at 200°C is measured by the microchromatograph. A correspondingly higher proportion of CO 2 signifies decomposition and therefore greater thermal instability of the support. A CO 2 content of less than 80 ppm and preferably less than 70 ppm, on the contrary, demonstrates an acceptable stability of the material constituting the substrate.
Dans le tableau 2 ci-après sont rassemblés les résultats des différents tests pour les différents exemples précédemment décrits.Table 2 below brings together the results of the various tests for the various examples previously described.
Les résultats obtenus exposés dans le tableau 2 précédant démontrent les avantages des matériaux selon la présente invention :The results obtained set out in Table 2 above demonstrate the advantages of the materials according to the present invention:
Les exemples selon l’invention présentent une bien meilleure stabilité thermique que l’exemple 1 comparatif (dont le matériau support est constitué d’un carbone non dopé) et une performance catalytique comparable, voire significativement améliorée notamment par rapport à l’exemple comparatif 6 selon l’art antérieur, dont le matériau support est constitué d’un carbone comprenant de l’azote.The examples according to the invention have a much better thermal stability than comparative example 1 (whose support material consists of an undoped carbon) and a comparable catalytic performance, or even significantly improved in particular compared to comparative example 6 according to the prior art, the support material of which consists of a carbon comprising nitrogen.
Les résultats reportés dans le tableau 2 montrent que les exemples 3 à 5 selon l’invention présentent en particulier le meilleur compromis entre stabilité thermique et activité catalytique.The results reported in Table 2 show that Examples 3 to 5 according to the invention in particular have the best compromise between thermal stability and catalytic activity.
La performance catalytique due à l’apport d’oxygène est encore améliorée lorsque le rapport massique oxygène/carbone est proche de 0,50 comme le montre l’exemple 5. Cette amélioration est notable dès les plus basses températures (T20plus faible).The catalytic performance due to the supply of oxygen is further improved when the oxygen/carbon mass ratio is close to 0.50 as shown in Example 5. This improvement is notable from the lowest temperatures (lower T 20 ) .
En outre, une teneur en oxygène dans le matériau trop importante, et notamment un ratio massique O/C supérieur ou égal à 0,53, conduit à une stabilité thermique trop faible, comme le démontre les résultats observés pour l’exemple 7 comparatif. En particulier, une trop forte proportion d’oxygène entraîne une diminution drastique de la surface spécifique du matériau et donc son intérêt catalytique.
In addition, an oxygen content in the material that is too high, and in particular an O/C mass ratio greater than or equal to 0.53, leads to too low a thermal stability, as demonstrated by the results observed for comparative example 7. In particular, too high a proportion of oxygen leads to a drastic reduction in the specific surface of the material and therefore its catalytic interest.
Claims (15)
-préparation d’un mélange d’au moins un précurseur de Carbone et d’une source d’Oxygène sous forme d’un polymère choisi parmi les monosaccharides, les disaccharides ; les polyols ; les polysaccharides ledit polymère étant ajouté graduellement dans une solution basique maintenue à une température afin de démarrer la réaction de polymérisation,
-ajout d’un matériau d’empreinte ou de modèle de réplication, de préférence un précurseur de gel de silice, au mélange à une température contrôlée afin de continuer la réaction polymérisation,
-refroidissement puis séchage,
-carbonisation, de préférence pyrolyse, de ladite poudre,
-mélange de ladite poudre carbonisée à une solution basique, de préférence sous agitation et température contrôlée, afin d’éliminer le matériau d’empreinte ou le modèle de réplication.Process for manufacturing the material according to one of the preceding claims, comprising the following steps:
-preparation of a mixture of at least one carbon precursor and an oxygen source in the form of a polymer chosen from monosaccharides, disaccharides; polyols; the polysaccharides said polymer being added gradually in a basic solution maintained at a temperature in order to start the polymerization reaction,
- adding an impression material or replication model, preferably a silica gel precursor, to the mixture at a controlled temperature in order to continue the polymerization reaction,
- cooling then drying,
-carbonization, preferably pyrolysis, of said powder,
-mixing said carbonized powder with a basic solution, preferably with stirring and controlled temperature, in order to eliminate the impression material or the replication model.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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