JCJC SIMI 7 - JCJC : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique

Auto-assemblage de cristaux de zéolithes : vers une préparation sur mesure d’acides solides – SelfAsZeo

Design d’un catalyseur innovant pour la préparation de fuels synthétiques

L'originalité de ce projet réside dans la combinaison du design moléculaire, microscopique ainsi qu’au niveau du réacteur du catalyseur zéolithique. Le principal objectif de ce projet vise à tester ces catalyseurs acides dans la conversion du méthanol en hydrocarbures (essence), ou en éthylène et propylène, briques de base de la chimie industrielle.

Vers un catalyseur vert pour un pétrole « vert »

Le challenge principal consiste à développer au moins un catalyseur permettant de synthétiser sélectivement du propylène (procédé Methanol-To-Propylene) ou directement des fuels synthétiques de fraction essence, jetfuel, diesel. Il est également nécessaire de coupler ceci à une grande activité du catalyseur, durant un temps de réaction satisfaisant. <br />Notre approche réside dans le design de catalyseurs de type zéolithe (aluminosilicate cristallisé) qui sont recyclables, non toxiques, non corrosifs, qui permettent de remplacer les acides minéraux conventionnels. En s’inscrivant parfaitement dans un contexte de chimie verte, le succès de notre approche permettrait d’améliorer les procédés de préparation de fuels synthétiques et ainsi de réduire notre dépendance envers le pétrole et les autres énergies fossiles. <br />

Notre approche vise premièrement à effectuer la synthèse de zéolithes aux propriétés moléculaires « désirées » : acidité adaptée (ni trop peu, ni trop). En nous inspirant de la chimie supramoléculaire (dont Strasbourg est le berceau), la seconde étape aura pour but de synthétiser des cristaux de tailles et si possible de morphologies désirées. Il est nécessaire de réaliser en parallèle un travail complet de caractérisation à l’aide de techniques physico-chimiques de pointe de ces matériaux catalytiques. Pour cela, des collaborations intra-université, intra-CNRS mais également internationales seront vitales pour garantir notre compétitivité sur un sujet aussi « chaud » et d’actualité.
Après avoir mis au point cette première génération de catalyseur MTH (methanol-to-hydrocarbons), la partie évaluation des performances catalytiques pourra démarrer en parallèle du design du matériau. Il est nécessaire de continuer à tenter d’améliorer l’activité, la sélectivité et également la stabilité de nos catalyseurs zéolithiques.
Ainsi, un processus itératif de préparation, caractérisation, test dans la conversion du méthanol, puis modification du catalyseur, re-caractérisation, re-test….. sera appliqué.

Nos premiers résultats sont extrêmement prometteurs car nous avons été en mesure de préparer une zéolithe de type ZSM-5 qui semble permettre une durée de fonctionnement dans un réacteur nettement améliorée par rapport aux catalyseurs utilisés industriellement. Toutefois, les performances de ce matériau peuvent encore être optimisées.
Ces résultats préliminaires percutants nous ont permis d’initier une collaboration internationale avec le centre d’excellence InGap (Innovative Natural Gas Processes and Products, Oslo), dirigé par le Prof. Unni Olsbye, un des leaders mondiaux de la transformation du méthanol en hydrocarbures.
Les premiers tests de nos catalyseurs réalisés en Norvège dans des conditions préindustrielles semblent confirmer les promesses de nos « matériaux maisons ».

Les perspectives de notre projet sont simples : continuer à tenter d’améliorer l’activité dans la conversion du méthanol, tout en maintenant une excellente sélectivité en produit(s) désiré(s) (propylène, essence, jetfuels). Nous sommes également conscients de la nécessité de « garder un œil » sur la stabilité de nos catalyseurs, condition essentielle pour une éventuelle application industrielle. Ceci se fera en appliquant une itération entre préparation-test catalytique-modification…
La finalité du projet serait la mise au point (en vue d’une application à l’échelle du pilote industrielle) d’une nouvelle génération de catalyseur acide solide de type zéolithe ZSM-5 permettant de convertir le méthanol (issu de la biomasse : bois par exemple) sélectivement en éthylène et surtout en propylène.

Notre production scientifique est pour l’instant raisonnable à ce stade du projet avec une publication dans un journal international spécialisé de la chimie industrielle.
G. Laugel, X. Nitsch, F. Ocampo, B. Louis
Methanol Dehydration into Dimethylether over ZSM-5 type zeolites: Raise in the Operational Temperature Range
Appl. Catal. A 402 (2011) 139-145.
Cet article résume notre approche pour améliorer la stabilité de nos matériaux.
Par ailleurs notre travail a été sélectionné comme communication orale au prestigieux congrès Synfuel2012 qui aura lieu à Munich les 29-30 juin 2012. Cette conférence résume les résultats préliminaires de notre collaboration avec le Prof. Unni Olsbye d’Oslo.

Le présent projet , SelfAsZeo, est dédié au développement de voies de synthèse de zéolithe de type ZSM-5. Une attention particulière sera donnée aux préparations basées sur l'auto-assemblage des zéolithes. En suivant une approche rationnelle, ce projet aura pour but de préparer des zéolithes ZSM-5 ayant à la fois une acidité de Brönsted définie et bien contrôlée, mais également des propriétés microscopiques "sur mesure".
L'originalité réside dans la combinaison du design moléculaire à l'assemblage microscopique en super-structure régulière induisant des propriétés de transfert de matière améliorées.

Le second objectif de ce projet, directement lié à la synthèse sur mesure de zéolithes, consistera à tester ces catalyseurs acides dans la conversion du méthanol en hydrocarbures, en se focalisant sur la réaction Methanol-To-Olefins. En appliquant un processus itératif de test catalytique comme suit: caractérisation, modification du matériau, test catalytique, nous avons pour but de développer des catalyseurs zéolithiques performants en terme d'activité (TOF), sélectivité (en propylène principalement), et stabilité face à la désactivation.

La finalité sera le succès d'une combinaison entre la synthèse d'une zéolithe aux propriétés acides adaptées pour convertir de manière efficace le méthanol, et de manière sélective en propylène, dans des conditions de réaction réelles (procédé Mobil).

Coordinateur du projet

Monsieur Benoit Louis (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE) – blouis@unistra.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ALSACE

Aide de l'ANR 180 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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