UPThèses

Les zéolithes sont des catalyseurs hétérogènes extrêmement utiles et trouvent des applications industrielles répandues. Cependant, leur système microporeux étendu conduit à des facteurs d'efficacité plutôt faibles et favorise le développement de réactions secondaires pouvant réduire considérablement la sélectivité et la stabilité catalytique. La hiérarchisation des zéolithes a été proposée comme stratégie permettant de réduire efficacement la longueur du trajet de diffusion, permettant ainsi d'augmenter le facteur d'efficacité en catalyse. Parmi la multitude de stratégies de hiérarchisation divulguées, l'impact réel des modifications structurelles et chimiques sur les paramètres clés catalytiques est souvent négligé. Le but de cette contribution est donc de faire la lumière sur la qualité effective de la hiérarchisation des zéolites à travers l'étude rationnelle de la dépendance structure / propriété catalytique. Notre étude s'est concentrée sur la mordénite, cette zéolite revêtant une importance particulière en raison de sa forte acidité et de son système de canaux monodimensionnel, ce qui explique pourquoi la mordénite est largement utilisée industriellement dans divers procédés, notamment l'alkylation d'aromatiques, les isomérisations d'alcanes, et les déshydratations d'alcools. Des stratégies de hiérarchisation post-synthétiques sur les mordénites riches et pauvres en aluminium ont été développés sur la base de traitements de basique assisté par CTAB, pyridine à différentes températures (en chauffage conventionnel et par micro-ondes), et par attaque chimique HF en milieu aqueux et organique. Une étude systématique de plus de 50 mordénites post-synthétiquement modifiées a été menée, ce qui nous a permis d'évaluer l'impact de chacune des stratégies de hiérarchisation sur les propriétés texturales, morphologiques, chimiques et catalytiques. Des corrélations majeures entre les caractéristiques structurelles et l'activité catalytique, la sélectivité et la stabilité dans le craquage du n-hexane et dismutation du toluène ont été déduites. Une feuille de route sur la qualité de chaque stratégie de hiérarchisation a ainsi été élaborée.

Parmi les nombreux défis énergétiques internationaux, la réduction des gaz à effet de serre avec l’augmentation du ratio composés pétrochimiques/carburants, ont vers des sources d’énergies alternatives. Le gaz naturel a été propulsé sur le devant de la scène pour répondre à ses enjeux grâce à son abondance, utilisation polyvalente et son énergie bas carbone. Cependant, méthane le composé le plus abondant dans le gaz naturel est un gaz à effet de serre principalement utilisé pour la production d’électricité. Son importante stabilité chimique (première énergie de dissociation d’une liaison de 439 kJ mol-1) lui confère des contraintes réactionnelles dans la production de composés à valeur ajoutées. La déshydroaromatization du méthane dans conditions non-oxygénantes (MDA: 6 CH₄ ⇋ C₆H₆ + 9 H₂) sur le catalyseur bifonctionnel Mo/HZSM-5 est apparue comme une technologie clé pour valoriser ce méthane en produisant simultanément des molécules plateformes et un vecteur énergétique vert sans émission directes de CO₂. Cependant cette réaction est fortement limitée par la thermodynamique ( ̴12.5 % à 700 °C en passage unique) et souffre de la rapide désactivation du catalyseur par le dépôt de carbone favorisée à hautes températures empêchant la potentielle industrialisation du procédé. La réaction de MDA est connue pour se dérouler en 4 étapes successives (préparation, activation, induction et désactivation) durant lesquelles le catalyseur va constamment évoluer. Les deux premières étapes sont gouvernées par les espèces de molybdène qui vont initier la formation d’espèces carbonées à la fin de l’activation du catalyseur. Ces dernières vont être responsables de de la suite de l’évolution du catalyseur. Chacune de ces étapes apporte toujours son lot de mystère qu’il convient d’éclaircir. A la suite de ce travail de thèse, il a été établi que lors de la préparation du catalyseur, les espèces de molybdène vont migrer à l’intérieur des canaux de la zéolite et se fixer préférentiellement sur les paires d’aluminium sous la forme Mo₂O₅²⁺ et MoO₂²⁺. Lorsque la capacité maximale d’échange est dépassée, le molybdène restant se dépose sur la surface extérieure (MoO₃). Le catalyseur est par la suite exposé à un flux de méthane qui va carburizer (réduire sous forme carbidique) le pour former des carbures de molybdène identifiés comme les espèces actives de la réaction. Cette étape stœchiométrique durant laquelle 2 moles de méthane sont nécessaires pour réduire une mole d’oxyde de molybdène. Une fois le catalyseur activé, le méthane est converti en composés polyaromatiques qui vont progressivement constituer l’hydrocarbon pool : complexe organo-catalytique piégé dans les canaux de la zéolithe qui « auto-catalyse la réaction » lors de l’étape d’induction. La structure chimique de ce dernier a pu être pour la première fois clairement identifiée à l’aide de la méthode d’extraction du coke. Lors de la dernière étape de désactivation, les espèces polyaromatiques carbonées s’accumulent progressivement dans les pores de la zéolithe, bloquant l’accès aux espèces actives. Ces dernières accélèrent aussi la perte de stabilité catalytique à la suite de leur migration vers la surface extérieure formant de large amas de carbure de molybdène. Trois descripteurs de désactivation ont été identifiés : quantité de coke déposé sur le catalyseur, perte du volume microporeux et le changement de phase de la zéolithe.