CaFeO2.5 et matériaux analogues de Brownmillerites pour le remplacement des oxydes à base de cérine pour la catalyse hétérogène – CaFeCAT

Différents matériaux perovskite and Brownmillerite ont été obtenus par une méthode de synthèse classique à l’échelle laboratoire (complexation) et par une méthode de synthèse industrielle (fusion à l’arc). Tous les matériaux ont été caractérisés par diffraction des rayons X, physisorption d’azote, et microscopie. La mobilité des ions oxygène dans ces matériaux a été évaluée en utilisant des techniques d’échange isotopique (18O) couplées à une analyse thermogravimétrique et la spectroscopie de masse. L’influence de la mobilité d’oxygène sur la réaction catalytique a été étudiée en utilisant le matériau enrichi en 18O comme matériau de départ dans la réaction catalytique. Nous comparons ici l’instant où la mobilité de l’oxygène devient significative avec le démarrage de la réaction catalytique. Nous étudions également l’influence de la méthode de synthèse sur la stabilité. Le rôle des défauts (en particulier les différentes longueurs de chaines 1D(FeO4)?) et des dopants (Cu, Ti) sur la performance catalytique est étudié par spectroscopie d’absorption des rayons X, diffusion des neutrons et modélisation des fonctions de distribution des paires.

En dépit de leur faible surface spécifique, les matériaux synthétisés par fusion à l’arc s’avèrent être des candidats intéressants comme catalyseurs hétérogènes, en particulier grâce à leur bonne stabilité, par comparaison aux matériaux synthétisés par des méthodes classiques de laboratoire. La diffusion des neutrons montre que la taille de grains, dans ces matériaux, est étonnamment petite (30-90 nm), malgré leur température de synthèse élevée (au-dessus de 1200°C). Des études de mobilité de l’oxygène montrent que la longueur des chaînes 1D(FeO4)? et la mobilité de l’oxygène ont une influence directe sur la performance catalytique: pour SrFeO2.5, la mobilité de l’oxygène et la conversion catalytique s’activent simultanément, alors que pour CaFeO2.5 les deux phénomènes sont séparés.

Nous avons pu montrer l'impact de la structure sur la mobilité d'oxygène, et la performance catalyique pour des réaction de l'oxydation. Même si la performance catalytique reste faible en comparaison avec d'autres systèmes connus, nous avon vu que l'introduction d'un métal noble peut augmenter la performance, notamment pour les système dopés au Ti. Par la suite, il sera important d'étudier l'impact des métaux nobles sur ces systèmes, étudier leur impact sur la mobilité d'oxygène et si une possible corrélation avec les performances catalytique existe.

1. “In situ generated catalyst: copper(II) oxide and copper (I) supported on Ca2Fe2O5 for CO oxidation” B. Penkala, S. Gatla, D. Aubert, M. Ceretti, C. Tardivat, W. Paulus, H. Kaper, Catal. Sci. Technol., 2018, 8, 5236.
2. FR3086282 A1 « PRODUIT FONDU POLYCRISTALLIN A BASE DE BROWNMILLERITE » published on 2020-03-27

Le projet est consacré à la recherche fondamentale pour le développement de systèmes catalytiques pour la purification de l’air. Dans le contexte de remplacement des matériaux stratégiques comme le cérium, nous nous concentrons sur des éléments plus disponibles comme Ca, Fe, Mn, Sr, Cu , en gardant en mémoire les mécanismes qui gouvernent l'activité catalytique de cérium. Pour cela, nous avons choisi les conducteurs ioniques d'oxygène de la famille Brownmillerite CaFeO2.5, car il a été montré que la dynamique des ions d'oxygène impact l'activité catalytique.
Pour les catalyseurs, nous essayerons de réaliser (i) - un haut degré de dispersion du métal noble, (ii) - une haute mobilité d'oxygène aux températures modérées (par exemple en introduisant des défauts) et (iii) - une haute superficie.
Dans le projet on caractérise des matériaux en utilisant les grandes installations pour l'analyse de la structure, y compris les réactions d’échange isotopique pour la mobilité des ions oxygène.