Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les réactions catalytiques sont classées en deux grandes catégories : la catalyse homogène lorsque le catalyseur est soluble dans le milieu réactionnel et la catalyse hétérogène lorsque le catalyseur est solide. Cet article est une introduction à la catalyse hétérogène, il en présente les différents aspects, reprend les principes de la chimisorption et de l’activité catalytique, puis les propriétés catalytiques. Il s’attarde ensuite sur l’établissement des équations cinétiques des réactions de catalyse hétérogène. Pour terminer, le difficile choix des catalyseurs est traité.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Michel GUISNET : Professeur à l’Université de PoitiersLaboratoire de Catalyse en Chimie Organique (UMR CNRS 6503)
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Claude NACCACHE : Directeur Émérite CNRSInstitut de Recherches sur la Catalyse, CNRS, Villeurbanne
INTRODUCTION
Lans la catalyse hétérogène, notre société technologique, construite sur le pétrole, ne serait pas ce qu’elle est. Plus de 80 % des molécules de pétrole rencontrent un catalyseur dans les raffineries, se transformant en combustibles, carburants et grands intermédiaires de la chimie. Si cette participation de la catalyse hétérogène dans les procédés de conversion du raffinage et de la pétrochimie est essentielle, son rôle ne s’arrête pas là. La catalyse hétérogène est impliquée dans d’autres procédés industriels, nombreux et variés, allant de la chimie minérale à la synthèse de composés très élaborés de la chimie fine, de molécules médicamenteuses, etc., et au traitement des rejets polluants. Soulignons qu’à l’objectif initial de développement de procédés économiquement plus rentables s’est superposé celui d’une production plus respectueuse de l’environnement : procédés plus sobres en énergie et matières premières, diminution des rejets polluants, etc.
La catalyse hétérogène est un domaine pluridisciplinaire nécessitant des connaissances sur les catalyseurs solides, allant de leur préparation à leur caractérisation (en particulier celle de leur surface), mais aussi sur les réactions : cinétique et mécanismes et leur mise en œuvre. Cet article, qui présente de façon succincte ces divers aspects, ne peut donc constituer qu’une première approche de ce thème à la fois passionnant et économiquement essentiel qu’est la catalyse hétérogène.
Un second article Catalyse hétérogène dans les procédés industriels présente les principales applications industrielles de la catalyse hétérogène. Il décrit les catalyseurs et les procédés mis en œuvre dans l’industrie du pétrole, des grands intermédiaires chimiques, dans la postcombustion automobile, etc.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 1992 par Daniel CORNET
- Version courante de juin 2019 par Michel GUISNET, Ludovic PINARD
DOI (Digital Object Identifier)
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Propriétés catalytiques et leur caractérisation3. Chimisorption et activité catalytique
3.1 Force d’adsorption et activité catalytique. Principe de Sabatier
La chimisorption des molécules, et en particulier leur chimisorption dissociative diminue la hauteur de la barrière d’activation de la réaction et constitue une étape clé de la catalyse hétérogène. Des corrélations entre activité catalytique et propriétés d’adsorption (force notamment) sont donc attendues.
Le principe de Sabatier [8] permet de rationaliser le maximum parfois obtenu dans les diagrammes représentant l’activité catalytique en fonction d’une grandeur représentant la stabilité des intermédiaires adsorbés (courbe volcan). Cette grandeur peut être la chaleur d’adsorption d’un des réactifs, la chaleur de formation de composés massiques similaires aux espèces chimisorbées, une propriété électronique du catalyseur (exemple pourcentage de caractère d des métaux) ou plus simplement encore la position de l’élément catalytique dans la classification périodique. L’exemple classiquement présenté concerne la décomposition de l’acide formique en H2 et CO2 catalysée par les métaux. La spectroscopie infrarouge montre que les espèces chimisorbées sont du type formiate. Le mécanisme avancé est très simple comportant la formation de ces espèces chimisorbées suivie de leur décomposition en métal, H2 et CO2. Si on porte l’activité en fonction de la chaleur de formation du formiate, on obtient une courbe volcan (figure 3) que l’on explique de la manière suivante : lorsque la stabilité du formiate est faible (exemple Au), sa concentration à la surface du métal est petite et l’activité catalytique faible. Si au contraire, sa stabilité est trop élevée (exemple W), la décomposition du formiate est lente ; la surface se couvre d’une couche stable de formiate et l’activité catalytique est également faible. Les catalyseurs les plus actifs sont donc ceux pour lesquelles la stabilité du formiate (la force de chimisorption) sera intermédiaire [3] [9].
Des courbes de type volcan ne sont pas trouvées pour toutes les réactions et tous les catalyseurs ; cela peut être dû à une gamme trop limitée de stabilité des espèces chimisorbées ne permettant d’observer que le versant montant (stabilités trop faibles) ou descendant (stabilités...
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Chimisorption et activité catalytique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GERMAIN (J.E.) - Catalyse Hétérogène - . 225 p., 1959, Dunod.
-
(2) - LE PAGE (J.E.) - Catalyse de Contact - . 622 p., 1978, Technip.
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(3) - ERTL (G.), KNOZINGER (H.), WEITKAMP (J.) - Handbook of Heterogeneous Catalysis - . 5 vol., 2479 p., 1977, Wiley VCH.
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(6) - GUISNET (M.) - * - Acc. Chem. Res. 23, 1990, p. 329-338.
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HAUT DE PAGE
(Oil & Gas Journal, Oct. 6, 2003, p. 1-15)
Advances Refining Technologies LLC
AKZO Nobel Catalysts BV
AXENS
BASF
Catalysts and Chemicals Industries Co. Ltd
Chevron Lummus Global LLC
Criterion Catalyst Co. LP
Davison Catalysts, W.R. Grace and Co.
Degussa A.G.
Engelhard Corp.
Exxon Research Engineering Co.
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