Catalyseurs bifonctionnels oxyde-zéotype performants pour la conversion de CO et CO2 en oléfines légères – OXZEO

Les oléfines légères (C2-C4) sont des intermédiaires clé de l’industrie chimique. Elles sont produites par craquage à la vapeur ou craquage catalytique, deux procédés très énergivores utilisant actuellement des ressources fossiles. Une production plus éco-efficace et dédiée est un enjeu majeur. A l’avenir, elle pourrait se faire à partir de gaz de synthèse provenant de différentes ressources (fossiles, biomasse, déchets). Contrairement au procédé Fischer-Tropsch, le procédé Ox-Zeo qui combine un oxyde hydrogénant et un zéotype acide permet d’obtenir des sélectivités élevées en oléfines légères avec une grande stabilité. Toutefois, la sélectivité en CO2 doit être diminuée et l’activité catalytique améliorée. Des travaux de 2021 ont montré que des mélanges de ZnZrCeOx et de SAPO-34 ou RUB-13 permettent d’obtenir des sélectivités très élevées en oléfines légères (>80%) et faibles en CO2 (5%) à 300 °C et Patm. Ces nouveaux catalyseurs bifonctionnels sont également performants pour la conversion de CO2 en oléfines légères et méritent donc d’être étudiée plus en détails.
Toutefois, les travaux antérieurs se focalisaient sur la recherche de performances et il apparait nécessaire de lever les verrous scientifiques en déterminant le rôle des lacunes d’oxygène, des espèces OH (et des paires frustrées associées) ainsi que de la mobilité des espèces O, en clarifiant le rôle de chaque élément (coordination, état électronique) et de leurs interactions dans des oxydes mixtes tels que ZnCeZrOx et en déterminant l’influence de l’acidité (nature, force, densité) sur les mécanismes réactionnels au sein du zéotype SAPO-34 et RUB-13 et sur le rapport oléfines/paraffines.
Le projet OXZEO qui ambitionne de répondre à ces questions doit apporter un éclairage nouveau sur la connaissance des oxydes ZnCeZrOx combinés soit avec des zéotypes SAPO-34 ou RUB-13 pour convertir sélectivement et de manière stable CO et CO2 en oléfines légères pour finalement proposer de nouvelles formulations sur la base de relations structure-propriétés.
Pour cela, un travail fondamental et interdisciplinaire composé de 4 modules est proposé. Il inclut la coordination du projet, la synthèse et la caractérisation d’oxydes ZnCeZrOx et de zéotypes SAPO-34, RUB-13 aux propriétés bien définies et modulées, la mesure des propriétés catalytiques de mélanges oxyde-zéotype pour la conversion de CO et de CO2 en oléfines légères, pour la conversion du méthanol en oléfines légères en présence de CO, CO2, H2 et une caractérisation avancée reposant sur des techniques in situ/operando dont certaines jamais déployées.
Le travail sera réalisé par un consortium de chercheurs et ingénieurs de l’IRCELYON et de l’IC2MP dont les expertises sont complémentaires. Les tâches dont la répartition est équilibrée entre les 2 laboratoires s’effectueront en synergie. Pour mener à bien ce travail, une aide financière de 475 keuros est demandée à l'ANR. Elle inclut le financement de 3 étudiants de M2, d'un doctorant et de 2 post-doctorants.
Le projet peut avoir des retombées économiques et sociétales importantes dans la mesure où il vise à développer un procédé dédié à la production durable des oléfines légères à partir de gaz de synthèse ou de CO2 capturé. Il produira des nouvelles connaissances fondamentales concernant la dernière génération de catalyseurs Ox-Zeo qui seront valorisées à travers des publications dans des journaux à fort facteur d’impact et congrès internationaux de haut niveau. Ces connaissances pourront être transposées à d’autres oxydes et d’autres zéotypes travaillant en synergie par catalyse tandem pour différentes réactions. Le dépôt de brevets n’est pas exclu si des catalyseurs très performants sont découverts. Une dissémination à l’égard des industriels sera également effectuée. Le projet aura un écho important dans la communauté scientifique de catalyse hétérogène et fera émerger la France dans la compétition internationale notamment avec la Chine.