Thèse H/F sur « Outil prédictif lié à l’activité catalytique des métaux (OPERA) »

Les catalyseurs métalliques sur support sont largement utilisés dans des domaines aussi variés que la synthèse chimique, les procédés environnementaux ou la production d’énergie. La connaissance du type et du nombre de sites actifs pour une taille et/ou une forme de particule métallique ainsi que l’aspect diffusionnel et énergétique des molécules réactives sont les points clés pour concevoir un catalyseur optimal pour une réaction donnée. La détermination de ces sites actifs nécessite généralement des calculs complexes et longs pour prédire les énergies d’interaction entre les réactifs et les atomes de surface.

A l’IC2MP, sur la base d’une approche géométrique des particules métalliques (cubiques, cuboctaédriques tronquées, octaédriques, …), un modèle mathématique a été développé et permet de connaître la quantité de sites actifs pour une réaction catalytique donnée en tant que fonction de la taille. Le modèle a également été validé avec des données de la littérature (expérimentale et théorique) et démontre sa précision dans la prédiction de la relation structure-activité des catalyseurs métalliques.

De plus, une technique expérimentale, la chromatographie gazeuse à flux inverse (RF-IGC), permet une approche innovante dans la détermination des paramètres de réaction et de diffusion. La caractérisation dynamique d’un solide (métal supporté) par rapport à des molécules sondes sous forme gazeuse est possible dans des conditions douces. Basée sur une mesure temporelle de la concentration des molécules sondes dans la phase gazeuse, cette technique permet entre autres d’obtenir des valeurs de coefficients de diffusion, de couverture surfacique et d’énergies d’adsorption.

Malgré ces avancées, l’estimation de la valeur énergétique par site catalytique avec le modèle géométrique issu d’expériences de chimisorption n’est pas encore mise en œuvre et la technique RF-IGC n’a pas encore démontré son potentiel en conditions réactives et à haute température (> 200 °C). Il apparaît alors évident de combiner ces approches de caractérisation des catalyseurs afin de répondre à ces questions fondamentales.

Afin d’obtenir des informations pertinentes, un catalyseur Pt/Al ₂ O ₃ commercial , dont les caractéristiques physico-chimiques et catalytiques sont connues, sert de référence et peut être facilement modifié. Les caractérisations et l’utilisation de réactions catalytiques modèles (déshydrogénation du propane) fourniront des informations sur les énergies d’adsorption (chimisorption H ₂ / RF-IGC), la distribution et la concentration du site (chimisorption / RF-IGC). Ces dernières sont comparées aux données prédites par le modèle géométrique. S’il existe une corrélation, les énergies d’adsorption seront utilisées par l’approche géométrique pour modéliser l’activité catalytique et les courbes de thermodésorption. Cela constituera alors un outil prédictif de l’activité catalytique des métaux.