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Catalyse et Séparation

Le quantique fait la lumière sur les mécanismes catalytiques

Pour améliorer l’activité d’un catalyseur, il est essentiel d’élucider les mécanismes réactionnels à l’échelle moléculaire.

En catalyse hétérogène, un tel travail est complexe et nécessite de recourir à des méthodologies associant expérience et modélisation à différentes échelles.

IFPEN et le laboratoire de Réactivité de surface de l’UPMC ont mis en œuvre cette démarche dans le cas de la déshydratation d’un alcool biosourcé sur un catalyseur à base d’alumine (γ-Al2O3).

En associant:

  • calculs ab initioa,
  • modélisation cinétique,
  • et mesures expérimentales,

le mécanisme et la vitesse de chaque étape de la réaction ont été décrits depuis l’échelle moléculaire jusqu’à celle du réacteur(1, 2).

C’est ainsi, et par itérations successives, qu’on a pu accéder à des modèles cinétiques consolidés, assortis d’une description des chemins réactionnels, et que l’on peut désormais relier les paramètres macroscopiques et le comportement à l’échelle moléculaire.

Cette approche a permis de démontrer que, dans les conditions employées, la face cristallographique (100) de l’alumine gamma est la seule face active. Mais également qu’une combinaison bien particulière d’un site aluminique réactif et deux sites connexes (un atome d’oxygène et un second d’aluminium) est à l’origine de tous les produits formés (alcène, éther, eau).

L’effet sur la sélectivité du catalyseur des espèces adsorbées (eau, alcool) au voisinage du site actif a aussi été mis en évidence.

En pratique, les éléments de compréhension acquis ouvrent une voie d’amélioration pour l’activité de l’alumine via des voies de synthèse qui visent à augmenter la proportion surfacique des faces (100).

a- Calculs fondés sur la chimie quantique

 

Contact scientifique : celine.chizallet@ifpen.fr

Article paru dans Science@ifpen n° 25 - Juillet 2016

Publications

  1. K. Larmier, C. Chizallet, N. Cadran, S. Maury, J. Abboud, A-F. Lamic-Humblot, E. Marceau, H. Lauron-Pernot, Mechanistic Investigation of Isopropanol Conversion on Alumina Catalysts: Location of Active Sites for Alkene/Ether Production, ACS Catalysis, 2015, 5, 4423−4437.
    >> DOI: 10.1021/acscatal.5b00723
      
  2. K. Larmier, A. Nicolle, C. Chizallet, N. Cadran, S. Maury, A-F. Lamic-Humblot, E. Marceau, H. Lauron-Pernot, Influence of Coadsorbed Water and Alcohol Molecules on Isopropyl Alcohol Dehydration on γ-Alumina: Multiscale Modeling of Experimental Kinetic Profiles, ACS Catalysis, 2016, 6, 1905−1920.
    >> DOI: 10.1021/acscatal.6b00080

 

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