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RÉSUMÉ
Cet article constitue une introduction à la catalyse hétérogène, présentant- les diverses étapes physiques et chimiques impliquées dans les réactions : - la diffusion des molécules de réactifs de la phase fluide vers la surface du catalyseur, leur chimisorption, la réaction superficielle, la désorption des molécules de produits et leur diffusion vers la phase fluide, ainsi que leur impact sur les équations cinétiques. Les grandes familles de catalyseurs et les méthodes utilisées pour déterminer leur activité, sélectivité et stabilité sont brièvement présentées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Michel GUISNET : Professeur des universités - Catalyse en Chimie Organique, Poitiers, France - Centre for Biological and Chemical Engineering, Lisbon, Portugal
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Ludovic PINARD : Maître de Conférences, Membre du Bureau du Groupe Français des zéolithes (GFZ) - Institut de Chimie des Milieux et des Matériaux de Poitiers (IC2MP) - UMR CNRS 7285, Université de Poitiers, France
INTRODUCTION
Les applications diverses et variées de la catalyse hétérogène constituent une des bases de notre société technologique. Ce domaine pluridisciplinaire nécessite à la fois des connaissances sur les catalyseurs solides, allant de leur préparation à leur caractérisation (en particulier celle de leur surface) et 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. Ce thème est développé en détail dans une large série d’articles : catalyse acido-basique [J 1 210], catalyse redox [J 1 215] catalyse, bifonctionnelle redox-acide [J 1 217] [J 1 218], mécanismes et principales applications industrielles de la catalyse hétérogène [J 1 200] [J 1 255], désactivation et régénération des catalyseurs [J 1 265] et plus particulièrement des zéolithes [J 6 675].
Si les premiers travaux en catalyse hétérogène concernaient la décomposition de l’ammoniac sur différents métaux (1813), la réaction inverse n’a été mise au point qu’au siècle suivant par Haber (1909) puis très rapidement industrialisée par BASF (1913). Ce succès a initié de nombreux travaux de recherche conduisant à plusieurs prix Nobel :
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1912, Sabatier : hydrogénation des composés organiques en présence de métaux finement divisés ;
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1932 Langmuir : chimie des surfaces ;
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2006 Chauvin : développement de la métathèse en synthèse organique ;
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2007 Ertl : chimie des surfaces, et menant à des applications industrielles majeures.
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MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 1992 par Daniel CORNET
- Version archivée 2 de déc. 2004 par Michel GUISNET, Claude NACCACHE
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3. Chimisorption et activité catalytique
3.1 Force d’adsorption et activité catalytique. Principe de Sabatier
La chimisorption des molécules, en particulier leur chimisorption dissociative, diminue la hauteur de la barrière d’activation de la réaction et constitue donc 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 permet de rationaliser le maximum parfois obtenu dans les diagrammes représentant l’activité catalytique en fonction d’une grandeur représentative de 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 caractéristique électronique du catalyseur (exemple du pourcentage d'électrons dans la couche 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 HCOOH 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 4) 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 donc d’une couche stable de formiate et l’activité catalytique est faible. Les catalyseurs les plus actifs sont donc ceux pour lesquelles la stabilité du formiate (la force de chimisorption) sera intermédiaire ...
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Chimisorption et activité catalytique
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GERMAIN (J.E.) - Catalyse Hétérogène. - 225 p., Dunod (1959).
-
(2) - LE PAGE (J.E.) - Catalyse de Contact. - 622 p., Technip (1978).
-
(3) - ERTL (G.), KNOZINGER (H.), WEITKAMP (J.) - Handbook of Heterogeneous Catalysis. - 5 vol., 2479 p., Wiley VCH (1977).
-
(4) - SMITH (J.M.) - Chemical Engineering Kinetics. - 612 p., McGraw Hill Book Company (1970).
-
(5) - HAW (J.F.), RICHARDSON (B.R.), OSHIRO (I.S.), LAZO (N.D.), SPEED (J.A.) - * - . – J. Am. Chem. Soc. 111, p. 2052-58 (1989).
-
(6) - GUISNET (M.) - * - . – Acc. Chem. Res. 23, p. 329-338 (1990).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Introduction à la catalyse – Mécanismes et applications industrielles.
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Catalyse hétérogène : désactivation et régénération des catalyseurs.
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Catalyse bifonctionnelle redox-acide – Applications en raffinage du pétrole et pétrochimie.
-
Catalyse Bifonctionnelle – Application en valorisation des alcanes légers et en chimie Fine.
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...
NORMES
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Standard Test Method for Testing Fluid Catalytic Cracking (FCC) Catalysts by Microactivity Test. - ASTM D3907-03 -
ANNEXES
ACS Catalysis, American Chemical Society.
Advanced Synthesis and Catalysis, Wiley-VCH.
Applied Catalysis–A : General ; B : Environmental, Elsevier.
Catalysis Communications, Elsevier.
Catalysis Letters, Springer.
Catalysis Science and Technology, Royal Society of Chemistry.
Catalysis Today, Elsevier.
ChemCatChem, Wiley-VCH.
Chemical Engineering and Technology, Wiley-VCH.
ChemSusChem, Wiley-VCH.
Green Chemistry, Royal Society of Chemistry.
Industrial Engineering Chemistry Research, American Chemical Society.
Journal of Catalysis, Elsevier.
Journal of Molecular Catalysis A : Chemical, Elsevier.
Microporous and Mesoporous Materials, Elsevier.
Topics in Catalysis, Springer.
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Utilisateurs de catalyseurs
BP
Eni
IFP Énergie Nouvelles
http://www.ifpenergiesnouvelles.fr
Mobil
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