Matériaux catalytiques

Responsable :

Sébastien Royer, Professeur à l’Université de Lille, Sciences et Technologies

Enseignants-chercheurs et chercheurs :

Jean-Philippe Dacquin, Maître de conférences à l’Université de Lille, Sciences et Technologies
Jean-Sébastien Girardon, Maître de conférences à l’Université de Lille, Sciences et Technologies
Anne-Sophie Mamede, Maître de conférences à l’Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille (ENSCL)
Eric Marceau, Maître de conférences à l’Université de Lille, Sciences et Technologies, HDR

Mots-clefs :

Oxydes mixtes à surface spécifique élevée, matériaux à porosité hiérarchisée, catalyseurs plurimétalliques, métaux non nobles, microréacteurs, mise en forme

Objectifs de l’équipe :

  • Nouvelles approches de synthèse de matériaux catalytiques, en accord avec les contraintes de l’écoconception des matériaux
  • Compréhension et maîtrise des mécanismes de formation des matériaux et des mécanismes d’évolution sous contraintes thermiques, mécaniques et chimiques, au moyen de techniques de caractérisation avancées (operando - in situ ; UV, Raman, spectroscopie d'absorption X, Atom Probe Tomography, XPS-LEIS-ToF-SIMS)
  • Développement et rationalisation des étapes de mise en forme du catalyseur jusqu’à l’application en hall pilote, en lien avec les équipes de l’UCCS et les équipes partenaires extérieures

Thématiques :

Approches non conventionnelles de la préparation de catalyseurs massiques divisés :

L’équipe possède une expertise dans la synthèse de solides massiques habituellement difficiles à préparer sous forme divisée comme, par exemple, les hexaaluminates ou les pérovskites (Figure 1), des matériaux largement utilisés en catalyse environnementale. Les approches étudiées permettent de contrôler des propriétés difficilement accessibles par des méthodes conventionnelles, dont :
l’amélioration des stabilités thermiques
le maintien de porosités stables
la mise en forme finale des matériaux avec conservation des propriétés texturales.

REFERENCES : DOI : 10.1021/cr500032a ; DOI : 10.1039/C3CP54363C ; DOI : 10.1039/C3CY00192J ; DOI : 10.1039/C3CC41163J

 

Figure 1. Développement d’une approche permettant la production d’oxydes mixtes nanocristallins de hautes surfaces spécifiques, thermiquement stables ; Synthèse sans solvant par mécanosynthèse (collaboration Université Laval – CA)
Cette approche unique permet la production d’hexaaluminates et de pérovskites présentant des surfaces spécifiques, après stabilisation à haute température, pouvant dépasser 80 m2.g-1
 

Supports à porosité structurée et hiérarchisée:

Les activités développées par l’équipe sur les supports à porosité structurée et hiérarchisée portent sur : (i) la synthèse contrôlée de matériaux micro/méso-, micro/macro- et méso/macroporeux  au moyen d’agents structurants bio-sourcés (Fig. 2) dans de larges gammes de composition (silices, silices-alumines, alumines, carbones), rendue possible par : (ii) à l’échelle moléculaire, la connaissance et le contrôle de l’assemblage du matériau et (iii) à l’échelle millimétrique, une rationalisation des transformations texturales et chimiques se produisant lors de l’introduction de la phase active (imprégnation), lors de la mise en forme de ces matériaux (ex. contraintes mécaniques et chimiques exercées lors d’une étape d’extrusion) et sous réaction (ex. conditions hydrothermales).


REFERENCES : DOI : 10.1021/ja9056486 ; DOI : 10.1039/B919341C ; DOI : 10.1039/C2EE02837A ; DOI : 10.1016/j.micromeso.2015.01.041

  Figure 2. Préparation de supports à porosité hiérarchisée ; Silice présentant un réseau méso/ macroporeux ouvert.
Cette approche originale permet la production de supports pouvant être utilisés pour des réactions au cours desquelles l’accessibilité aux sites est spatialement contrainte.

Phases supportées :

les activités de recherche de l’équipe se concentrent également sur la synthèse de nanoparticules mono- ou multi-métalliques dont la taille, la distribution en surface du support et la composition chimique sont contrôlées, avec comme objectifs une diminution des teneurs en métaux et une utilisation préférentielle de métaux non nobles. L’équipe explore des voies de synthèse idéalement applicables à des combinaisons métalliques et à des supports divers, et extrapolables à grande échelle (utilisation d’additifs organiques, pré-fonctionnalisation de supports et de microréacteurs, dépôt-précipitation, confinement). Elle s’intéresse aux mécanismes de ségrégation des éléments métalliques pendant le cycle d’utilisation du catalyseur (réaction, exposition à l’air, cycles réactionnels successifs), comme illustré sur un exemple de catalyseur trimétallique étudié par Atom Probe Tomography dans le cadre d’une collaboration avec l’Université d’Oxford (Fig. 3).

 

REFERENCES : DOI : 10.1039/C3CC43197E ; DOI : 10.1039/C3CY00198A ; DOI : 10.1039/C3CY00611E ; DOI : 10.1002/cssc.201300718 ; DOI : 10.1002/cssc.201300718 ; DOI : 10.1021/jp508144z ; DOI : 10.1021/cs501799p

 

Figure 3. Mise en évidence de la ségrégation de métaux sur un catalyseur trimétallique de synthèse de l’ammoniac (collaboration Université d’Oxford - UK).
Ces études permettent de comprendre les mécanismes de désactivation d’un catalyseur et d’optimiser les teneurs en chaque élément sans perte d’activité.
 

 

Collaborations :

Notre recherche repose sur un réseau collaboratif au niveau régional (Université de Valenciennes, réseau P.I.V.E.R.T.), national (Université de Poitiers, UPMC, Université de Technologie de Troyes) et international (Université Laval, Université d’Oxford, Université Technique d’Iasi, Université de Bologne, Université de Pékin, Université de Wuhan, Université de Technologie Chimique de Beijing). L’équipe est également fortement engagée dans des projets nationaux et internationaux dans le cadre du synchrotron SOLEIL.