Interface solide-liquide à l'échelle moléculaire pour la catalyse – SLIMCAT

La compréhension rationnelle et la prédiction des phénomènes chimiques se produisant aux interfaces solide-liquide (SLI, plus particulièrement interface oxyde-eau) de catalyseurs supportés sur alumine représentent un double défi à vocation industrielle dans les domaines de la préparation des catalyseurs et du fonctionnement des catalyseurs en milieu aqueux tels que la conversion de la biomasse ou la synthèse Fischer-Tropsch (FT). De plus, de nombreux procédés catalytiques en raffinage et pétrochimie (dont ceux pré-cités) mettent en jeu l’alumine-gamma comme support industriel. Concernant la phase active, le cobalt est un élément central dans les catalyseurs FT et d’hydrotraitement (HDT). Dans les deux cas, l’amélioration des étapes d’imprégnation et de séchage en présence de molécules organiques oxygénées (additifs) est cruciale pour maximiser le nombre de sites actifs de cobalt métallique accessibles et minimiser le nombre d’atomes de cobalt perdus soit dans une phase oxyde réfractaire, soit dans le support.
Le projet SLIMCAT a pour objectif de déterminer les descripteurs moléculaires clefs pour les propriétés interfaciales alumine/eau : pKa des sites hydroxyles, descripteurs structuraux - énergétiques - spectroscopiques, échelle d’interactions des précurseurs de cobalt/additifs/alumine, mécanismes moléculaires (incluant l’étape de séchage)… Il est important de souligner que les molécules oxygénées choisies (polyols, éthers, acides carboxyliques) sont représentatives des additifs présents lors des étapes de préparation du catalyseur mais sont aussi représentatives des fonctions chimiques de molécules oxygénées dérivées de la biomasse présentes dans le milieu réactionnel.
A cette fin, nous proposons une approche pluridisciplinaire et ascendante (dite « bottom up ») combinant des caractérisations avancées (zetamétrie par potentiel d’écoulement, SHG, EXAFS, AFM, UV-vis, ATR-IR, calorimétrie) et des techniques de dynamique moléculaire ab initio (AIMD) grâce à l’expertise reconnue de 4 laboratoires académiques (IRCP, ICGM, LRS, LAMBE) et un établissement EPIC (IFP Energies nouvelles). Le projet présente 3 tâches principales (« work package (WP) ») combinant travaux expérimentaux et théoriques. La tâche 1 (WP1) est dédiée à une approche science des surfaces (utilisant des surfaces idéales de monocristaux d’alumine-alpha) en milieu aqueux (contenant les additifs et précurseurs de Cobalt). Le WP2 se focalise sur des études aux interfaces de catalyseurs au cobalt supporté sur alumine-gamma avec une attention particulière portée sur les effets des paramètres de préparation. Le WP3 étudie les conséquences du séchage sur les échantillons et catalyseurs préparés selon WP1 et WP2. Une 4ème tâche (WP4) est dédiée à la dissémination des résultats et à l’organisation d’un « workshop » scientifique international sur le thème des comportements moléculaires aux interfaces solide-liquide.
Afin d’améliorer la conception des catalyseurs futurs, nous avons pour ambition de fournir des guides innovants et rationnels s’appuyant sur la quantification revisitée de l’acido-basicité de l’alumine en milieu aqueux, la spéciation du cobalt en surface de l’alumine, le rôle et le choix de molécules oxygénées orientant la spéciation du cobalt et la stabilité de l’alumine, les paramètres optimisés de préparation (séquences imprégnation/séchage en présence d’additifs). Au regard des aspects applicatifs de préparation des catalyseurs contenant du cobalt (FT et HDT), SLIMCAT est en adéquation avec le défi sociétal de l’ANR « Stimuler le renouveau industriel ». De plus, le projet répond aussi pour une part, certes plus modeste, au second défi sociétal « Energie propre, sure et efficace » au regard notamment des aspects liés à la stabilité et aux propriétés acido-basiques des alumines en présence d’eau et de molécules oxygénées, situation rencontrée en conversion de biomasse.