Catalyseurs Fischer-Tropsch améliorés grâce à la sonication

Synthèse améliorée de catalyseurs Fischer-Tropsch par ultrasons : le traitement par ultrasons des particules de catalyseur est utilisé à plusieurs fins. La synthèse par ultrasons permet de créer des nanoparticules modifiées ou fonctionnalisées présentant une activité catalytique élevée. Les catalyseurs usagés et empoisonnés peuvent être régénérés facilement et rapidement par un traitement de surface par ultrasons qui élimine les dépôts responsables de leur désactivation. Enfin, la désagglomération et la dispersion par ultrasons produisent une distribution uniforme et monodisperse des particules de catalyseur, garantissant une surface active élevée des particules et un transfert de matière favorisant une conversion catalytique optimale.

Avantages de la préparation de catalyseurs par ultrasons pour les procédés Fischer-Tropsch

La sonication offre des avantages considérables pour la synthèse des catalyseurs Fischer-Tropsch, principalement grâce à sa capacité à permettre un contrôle fin de la morphologie du catalyseur et de la distribution des sites actifs. La cavitation à haute énergie générée par les ondes ultrasonores assure un mélange rapide et une désagglomération efficace des matériaux précurseurs, ce qui conduit à une distribution granulométrique très uniforme et à une surface spécifique accrue. Cette meilleure homogénéité entraîne une dispersion plus importante des composants actifs, essentielle pour maximiser le nombre de sites réactionnels accessibles. De plus, la cinétique de mélange contrôlée conduit souvent à la formation de structures très stables et poreuses, améliorant ainsi les performances catalytiques, la sélectivité et la stabilité à long terme du catalyseur dans des conditions réactionnelles sévères.

Effets des ultrasons sur les catalyseurs

Les ultrasons de puissance sont bien connus pour leur influence positive sur les réactions chimiques. Lorsque des ondes ultrasonores intenses sont introduites dans un milieu liquide, une cavitation acoustique se produit. La cavitation ultrasonore crée localement des conditions extrêmes, avec des températures très élevées pouvant atteindre 5 000K, des pressions d’environ 2 000atm et des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280m/s. Le phénomène de cavitation acoustique et ses effets sur les procédés chimiques sont désignés par le terme sonochimie.
Une application courante des ultrasons est la préparation de catalyseurs hétérogènes : les forces de cavitation ultrasonore activent la surface du catalyseur, car l’érosion par cavitation génère des surfaces non passivées et très réactives. De plus, le transfert de matière est considérablement amélioré par l’écoulement turbulent du liquide. Les collisions intenses entre particules provoquées par la cavitation acoustique éliminent les couches d’oxydes superficielles des particules de poudre, ce qui réactive la surface du catalyseur.
 

Synthèse d’un catalyseur dopé au palladium à l’aide du sonicateur UIP1000hdT
Étude et image : ©Prekob et al., 2020

Préparation par ultrasons de catalyseurs Fischer-Tropsch

Le procédé Fischer-Tropsch comprend plusieurs réactions chimiques qui convertissent un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène en hydrocarbures liquides. Divers catalyseurs peuvent être utilisés pour la synthèse Fischer-Tropsch, mais les plus couramment employés sont les métaux de transition cobalt, fer et ruthénium. La synthèse Fischer-Tropsch à haute température est réalisée avec un catalyseur au fer.
Les catalyseurs Fischer-Tropsch étant sensibles à l’empoisonnement par des composés contenant du soufre, leur réactivation par ultrasons revêt une grande importance pour maintenir pleinement leur activité catalytique et leur sélectivité.

Synthèse par ultrasons de catalyseurs à structure cœur–coquille

Les nanostructures cœur–coquille sont des nanoparticules encapsulées et protégées par une coquille externe qui les isole et empêche leur migration et leur coalescence pendant les réactions catalytiques.

Pirola et al. (2010) ont préparé des catalyseurs Fischer-Tropsch à base de fer supportés sur silice, avec une forte teneur en métal actif. Leur étude montre que l’imprégnation du support de silice assistée par ultrasons améliore le dépôt du métal et augmente l’activité du catalyseur. Les résultats de la synthèse Fischer-Tropsch ont montré que les catalyseurs préparés par ultrasons étaient les plus efficaces, en particulier lorsque l’imprégnation par ultrasons est réalisée sous atmosphère d’argon.

Réactivation des catalyseurs par ultrasons

Le traitement de surface des particules par ultrasons est une méthode rapide et simple pour régénérer et réactiver les catalyseurs usagés et passivés. La possibilité de régénérer le catalyseur permet sa réactivation et sa réutilisation, ce qui constitue une étape de procédé économique et respectueuse de l’environnement.
Le traitement des particules par ultrasons élimine les couches passivantes responsables de la désactivation, les dépôts et les impuretés présents sur les particules de catalyseur, qui bloquent les sites de réaction catalytique. La sonication d’une suspension de catalyseur usagé provoque un lavage par jets de la surface des particules de catalyseur, éliminant ainsi les dépôts présents sur les sites catalytiquement actifs. Après le traitement par ultrasons, l’activité du catalyseur retrouve la même efficacité que celle d’un catalyseur neuf. De plus, la sonication brise les agglomérats et assure une distribution homogène et uniforme de particules monodisperses, ce qui augmente la surface des particules et, par conséquent, la surface catalytiquement active. Ainsi, la régénération des catalyseurs par ultrasons permet d’obtenir des catalyseurs régénérés présentant une surface active élevée et un meilleur transfert de matière.
La régénération des catalyseurs par ultrasons fonctionne pour les particules minérales et métalliques, les particules (méso-)poreuses et les nanocomposites.
En savoir plus sur la régénération par ultrasons des catalyseurs usagés !

Sonicateurs haute performance pour la synthèse sonochimique de catalyseurs Fischer-Tropsch

Les sonicateurs Hielscher sont particulièrement appréciés pour la synthèse de catalyseurs en raison de leur conception robuste, de leur précision et de leur capacité de mise à l’échelle, offrant des avantages considérables par rapport aux équipements de sonication classiques. Ces appareils fournissent une énergie ultrasonore de haute intensité et précisément contrôlable, essentielle pour obtenir une dispersion uniforme des matériaux précurseurs et faciliter une nucléation et une croissance précises des particules de catalyseur. Les systèmes de commande sophistiqués permettent aux chercheurs de régler avec précision des paramètres tels que la puissance de sortie et la durée des impulsions, garantissant des résultats expérimentaux reproductibles – un facteur essentiel en science des matériaux. De plus, les sonicateurs Hielscher sont réputés pour leur durabilité et leur capacité à traiter à différentes échelles, des petits lots de laboratoire aux opérations en installation pilote, permettant ainsi le passage efficace de formulations de catalyseurs prometteuses de la recherche à l’échelle du laboratoire à l’application industrielle. Les normes allemandes d’ingénierie et de fabrication garantissent un fonctionnement fiable des équipements à ultrasons Hielscher en service 24/7 sous de fortes charges.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos sonicateurs :

Bibliographie / Références

• Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
• Hajdu Viktória; Prekob Ádám; Muránszky Gábor; Kocserha István; Kónya Zoltán; Fiser Béla; Viskolcz Béla; Vanyorek László (2020): Catalytic activity of maghemite supported palladium catalyst in nitrobenzene hydrogenation. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 2020.
• Pirola, C.; Bianchi, C.L.; Di Michele, A.; Diodati, P.; Boffito, D.; Ragaini, V. (2010): Ultrasound and microwave assisted synthesis of high loading Fe-supported Fischer–Tropsch catalysts. Ultrasonics Sonochemistry, Vol.17/3, 2010, 610-616.
• Suslick, K.S.; Hyeon, T.; Fang, M.; Cichowlas, A. A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering A204, 1995, 186-192.