Catalyseur : définition

Accélérer une réaction sans y participer au bilan

Un catalyseur est un composé chimique qui accélère une réaction sans figurer dans son bilan. Il intervient bel et bien, en formant des intermédiaires avec les réactifs, puis il se régénère à la fin du cycle. Le mécanisme catalytique ouvre un chemin réactionnel dont la barrière énergétique est plus basse que celle de la voie directe. La thermodynamique, elle, ne bouge pas d'un iota. Un catalyseur ne rend jamais possible une réaction impossible, il rend rapide une réaction qui était lente.

Cette distinction est le point qu'il faut confirmer le plus souvent en formation, parce qu'elle a des conséquences pratiques. L'équilibre final reste le même avec ou sans catalyseur, seule la vitesse pour l'atteindre change. En revanche la sélectivité, elle, se joue entièrement là. Quand toutes sortes de réactions concurrentes sont possibles à partir des mêmes substances, le bon catalyseur accélère celle qu'on veut et laisse les autres à leur lenteur. C'est ce qui transforme un mélange inexploitable en procédé industriel rentable, et ce qui explique que plus de 90 % des productions chimiques en emploient un.

Homogène, hétérogène, enzymatique

Le classement usuel repose sur la phase dans laquelle se trouve le catalyseur par rapport aux réactifs, et ce critère apparemment formel constitue en réalité le premier choix de conception d'un procédé.

• En catalyse homogène, catalyseur et réactifs partagent la même phase, le plus souvent liquide. Tous les sites actifs sont accessibles, l'activité et la sélectivité sont excellentes, et les phénomènes de transfert de matière ne limitent rien. Le problème arrive en aval, séparer un complexe dissous du produit coûte cher. Les mécanismes acide-base de cette famille sont exposés dans catalyse acido-basique.
• En catalyse hétérogène, le catalyseur est un solide et les réactifs des fluides. La réaction a lieu à la surface, ce qui impose une cascade d'étapes de diffusion avant et après l'acte chimique lui-même. La séparation, en revanche, est généralement triviale. Le fonctionnement détaillé de ces solides est traité dans catalyse hétérogène, mode d'action des catalyseurs.
• En catalyse enzymatique, des protéines assurent la même fonction avec des sélectivités que la chimie de synthèse n'approche pas, à température ambiante et en milieu aqueux. Leur fragilité et leur coût de production restent les freins, que l'immobilisation sur support cherche à lever, comme le montre biocatalyseurs enzymatiques supportés dédiés à la production en continu de biodiesel.

La catalyse hétérogène domine largement l'industrie lourde, et sa mise en œuvre suppose de dessiner le solide autant que de choisir sa chimie. La phase active, souvent un métal cher, est dispersée en particules de quelques nanomètres sur un support poreux dont la surface développée atteint 100 à 300 m² par gramme. Multiplier la surface accessible pour une même quantité de métal, voilà tout l'enjeu, et il est difficile à tenir dans la durée puisque ces particules ont tendance à coalescer sous l'effet de la chaleur. La partie caractérisation de ce travail est décrite dans caractérisation des catalyseurs hétérogènes par réactions modèles. Le dimensionnement du réacteur qui l'accueille relève de calcul des réacteurs catalytiques et, plus largement, de réacteurs chimiques, technologie.

Un catalyseur vieillit. Trois mécanismes liés à l'exploitation usent son activité, et il est utile de savoir les identifier avant de changer une charge complète. Un contrôle ponctuel d'activité en sortie de réacteur suffit le plus souvent à dire de quoi il retourne. L'empoisonnement bloque les sites actifs par adsorption forte d'une impureté, le soufre étant le poison le plus courant. Le cokage les recouvre de dépôts carbonés, réversibles dans certains cas grâce à une combustion contrôlée. Le frittage fait grossir les particules métalliques et réduit la surface active de façon définitive. Les oxydes de support peuvent eux-mêmes évoluer et perdre leur porosité.

Ce que le mot désigne dans l'automobile

Une grande partie des recherches sur le mot vise l'organe automobile, et il s'agit bien d'un catalyseur au sens chimique, appliqué au traitement des gaz d'échappement. Les pots d'échappement catalytiques, ou pot catalytique au singulier, sont des monolithes en céramique nid d'abeilles, recouverts d'un revêtement poreux sur lequel sont dispersés platine, palladium et rhodium. Leur fonction est de convertir trois polluants simultanément, d'où le nom de catalyseur trois voies. Le monoxyde de carbone et les hydrocarbures imbrûlés y sont oxydés, les oxydes d'azote y sont réduits en diazote.

Encore faut-il que les conditions s'y prêtent, et sur ce point l'organe est exigeant. La conversion simultanée n'est efficace que dans une fenêtre étroite autour de la richesse stœchiométrique, ce qui explique la présence de la sonde lambda et la régulation permanente du mélange par le calculateur électronique. Et rien ne fonctionne à froid, l'amorçage n'intervenant qu'entre 250 et 300 °C. Le moment qui suit un démarrage à froid concentre ainsi l'essentiel des émissions d'un trajet urbain, ce qui a orienté les technologies récentes vers le rapprochement du catalyseur du collecteur et le préchauffage électrique. Ces dispositifs sont passés en revue dans qualité de l'air et automobile. Le diagnostic de l'organe, sa valeur à la revente et son remplacement chez un garagiste local relèvent de l'entretien du véhicule, hors du périmètre de ce glossaire.

D'autres emplois environnementaux exploitent la même idée sur des effluents gazeux. La photocatalyse fait travailler un semi-conducteur sous rayonnement ultraviolet pour dégrader des composés organiques volatils à température ambiante, une voie décrite dans photocatalyse dans le traitement de l'air.

Les procédés qui n'existeraient pas sans catalyseur

En raffinage et en pétrochimie, la catalyse ne sert pas d'appoint, elle permet le procédé. Le reformage catalytique remonte l'indice d'octane des essences en transformant des paraffines en composés aromatiques sur un catalyseur bimétallique platine-rhénium, opération exposée dans reformage catalytique. L'alkylation combine oléfines et paraffines sur catalyse acide forte pour produire des bases essence à haut indice, comme le détaille alkylation des oléfines par les paraffines. L'hydratation des oléfines, traitée dans hydratation des oléfines, produit éthanol et isopropanol par la même logique.

Les types de transformations couvertes sont donc très larges. Les réactions d'oxydoréduction sélectives, présentées dans catalyse sélective redox, en donnent la mesure. Le cas le plus spectaculaire reste la synthèse d'ammoniac sur fer promu, qui fixe l'azote atmosphérique à 400 °C sous 200 bars. Sans ce catalyseur, la combustion d'énergie nécessaire pour casser la triple liaison de l'azote rendrait le procédé inaccessible, et la production mondiale d'engrais avec lui. Peu de solides ont eu autant d'effet sur la démographie.