Catalyseurs à base de CHAbazite à structure hiérarchique, cœur-coquille pour la Réduction de NOx et N2O – CHARO

Des catalyseurs à porosité hiérarchisée ont été synthétisés, caractérisés et leur activité a été comparée. Différentes conditions de synthèse telles que la méthode de préparation, le temps de vieillissement et les quantités d'agent direct de structure organique secondaire ont été évaluées. Afin d'évaluer la stabilité hydrothermale, les catalyseurs développés ont été davantage traités dans l'air avec 10% de H2O à 750 ° C pendant 16 h.

- Des catalyseurs à porosité hiérarchisée purs et cristallins à base de Cu ont été développés, caractérisés et testés avec succès pour la réaction NH3-SCR des NOx;
- La structure zéolithique d'origine est conservée après l'introduction des mésopores ;
- Une augmentation de la surface externe ainsi que du volume mésoporeux a été observée pour les matériaux à porosité hiérarchisée par rapport à la zéolithe microporeuse ;
- La surface spécifique des matériaux à porosité hiérarchisée est similaire à celle de la zéolithe microporeuse ;
- L'existence d'une mésoporosité intra-cristalline a été corroborée ;
- La structure cristalline de la zéolithe est maintenue après traitement hydrothermal et aucun affaissement de la structure cristalline ni lixiviation du Cu n'a été observé ;
- Le traitement hydrothermal a favorisé la migration du Cu vers les sites actifs au sein de la structure chabazite, ce qui pourrait améliorer significativement les performances catalytiques de réduction des NOx à basse température ;
- Cependant, le traitement hydrothermal a eu un effet négatif sur les propriétés texturales.

La formation d'une structure coeur-coquille zéolithe-zéolithe à porosité hiérarchisée est en cours. Nous prévoyons que de telles structures empêcheront l'effondrement de la structure de la zéolite mésoporeuse, en maintenant la cristallinité et la morphologie du cœur de la zéolite.

Une publication scientifique est en cours de rédaction. Ces résultats ont été présentés à la Conférence française de catalyse (FCCAT 2019), Fréjus, France, 3-7 juin 2019 - Présentation orale intitulée «Development of Hierarchical chabazite for low-temperature NOx reduction». De plus, les résultats associés à la «Hydrothermal durability of developed catalysts» sont acceptés - «short oral presentation« à la Conférence française, Gecat-2020, 3-6 novembre 2020, Hendaye, France.

La réduction de la pollution atmosphérique générée par les moteurs est un enjeu sociétaire majeur sujet à des régulations environnementales exigeantes. Revisiter les systèmes de post-traitement avec des concepts disruptif est l’une des voies pour significativement diminuer l’impact sur l’environnement et la santé. Ce projet se concentre sur l’un de ces concepts. Il ambitionne le développement de nouveaux catalyseurs qui combineront plusieurs fonctionnalités dans des gammes étendues de fonctionnement. Le projet aborde certains des principaux polluants, notamment les oxydes d’azote (NOx) et le protoxyde d'azote (N2O). Leur réduction sera explorée via la réaction clef de Réduction Catalytique Sélective avec l’ammoniac. L’application première du projet sera le traitement des gaz d’échappement produit par les moteurs à mélange pauvre utilisés dans les véhicules diesel et à injection directe d’essence.

La solution choisie repose sur des zéolithes appelées chabazites. Ces zéolithes sont des tamis moléculaires connus pour leur efficacité et leur grande stabilité hydrothermale, mais jusqu’à présent elles ne permettent qu’une diffusion limitée des gaz dans les conditions de fonctionnement des systèmes d’échappement des moteurs modernes. Pour contourner cette difficulté et atteindre une performance, une stabilité, et une sélectivité élevées, le projet se concentre sur des matériaux à porosité hiérarchisée, intégrant une mésoporosité et permettant des effets de synergie à l’échelle nanométrique entre des sites actifs de cuivre et de fer dans des architectures cœur-coquille. À notre connaissance, de telles architectures sont uniques, et sont plus avancées que celles développées à l’Université de Pékin en 2016 pour la réaction SCR, dont seul le cœur est actif.
La combinaison que nous choisissons devrait étendre la gamme de température d’activité élevée, entre 150 et 800°C. Le système catalytique sera donc compatible avec une utilisation à basse température, nécessaire par exemple pour le démarrage à froid. Avec sa stabilité hydrothermale élevée, il sera aussi compatible avec les conditions de régénération des filtres à particules. En outre, le système catalytique permet une réduction synergique des émissions de NOx et de N2O, à travers l’action spécifique sélective des phases de cuivre et de fer. Cette caractéristique est très avantageuse dans la perspective de normes Euro 7 à l’horizon 2022.

Nous proposons quatre axes de travail vers les objectifs du projet. Ils sont interdépendants et amèneront de la préparation d’architectures à porosité hiérarchisée avancées inédites, cœur-coquille, jusqu’à l’évaluation de leur performance catalytique, dont on espère qu’elle sera avantageuse pour futures applications industrielles. Un ensemble complémentaire de caractérisations in-situ sera utilisé, notamment un microscope électronique à transmission environnemental et tomographique unique, et la spectroscopie infrarouge de réflectance diffuse à transformée de Fourier, afin de comprendre les propriétés dynamiques des catalyseurs et les processus catalytiques jusqu’aux plus petites échelles.

La jeune chercheuse coordinatrice du projet a été recrutée en 2014 comme maître de conférences. Ce projet lui permettra de lancer un axe de recherche original à l’IRCELYON, concentré sur le développement de catalyseurs avancés pour l’industrie automobile, basés sur des architectures zéolithiques, et permettant la réduction/décomposition d’émissions de N2O, l’oxydation douce (CH4 à CH3OH) et l’hydrogénation du CO2. Le projet positionnera la jeune chercheur au centre d’un réseau de collaborations avec des partenaires académiques en France, Espagne et Italie, et avec des acteurs industriels. Le financement de l’ANR apportera les moyens nécessaires pour développer une activité indépendante ; l’accès à un ensemble unique d’instrumentations pertinentes, ainsi que les compétences complémentaires de l’équipe scientifique, seront des atouts importants pour le projet.