Caractérisation et analyse des matériaux catalytiques

Selon les estimations, 90 % de tous les produits chimiques commercialisés impliquent des catalyseurs à un stade de leur fabrication. La demande de catalyseurs est estimée à environ 30 milliards de dollars et devrait augmenter au cours de la prochaine décennie à mesure que la demande de produits chimiques, de polymères et de produits pétrochimiques augmente, associée à la nécessité croissante de réduire les coûts de procédé, la consommation d'énergie et les émissions.

Cependant, la production chimique n'est pas la seule à nécessiter de meilleurs catalyseurs. Les exigences environnementales encouragent non seulement la production d'une énergie plus propre, mais également l'utilisation de déchets tels que les polymères et le CO2, qui nécessitent alors le développement de nouveaux procédés et de nouveaux matériaux catalytiques. Exemples :

Production d'hydrogène à faible coût et à volume élevé pour une utilisation dans les piles à combustible et les moteurs à combustion
Conversion des déchets municipaux et des plastiques en biocarburants et en feedstocks chimiques
Utilisation du CO2 dans la production de nouveaux produits chimiques et de nouveaux polymères

Ces exigences s'ajoutent à des exigences existantes telles que l'optimisation et la production de convertisseurs catalytiques pour le secteur automobile et de catalyseurs de craquage catalytique en lit fluidisé (FCC, Fluid Catalytic Cracking) plus efficaces pour l'industrie pétrochimique.

Pourquoi la caractérisation des catalyseurs est-elle importante ?

La caractérisation est essentielle à la fois pour la conception et pour le développement de nouveaux catalyseurs, mais aussi pour le développement et l'optimisation des procédés, y compris l'intensification et le dépannage. La plupart des catalyseurs hétérogènes, par exemple, consistent en un métal ou un oxyde métallique catalytiquement actif situé à la surface d'un support d'oxyde métallique. Il est donc important d'optimiser la structure et les propriétés chimiques de surface pour fournir la sélectivité et la réactivité appropriées pour le procédé à l'étude. D'autres caractéristiques telles que la taille des particules, la porosité et la surface sont également importantes pour optimiser la diffusion et l'adsorption, par exemple.

En quoi les solutions de Malvern Panalytical peuvent-elles aider ?

Malvern Panalytical propose une gamme de solutions complémentaires pour l'analyse physique, structurelle et élémentaire des matériaux catalytiques, notamment la taille des particules, la forme des particules, le potentiel zêta, la composition élémentaire et la structure cristalline :

Fluorescence X

La fluorescence X (XRF, X-Ray Fluorescence) est largement utilisée pour analyser la composition élémentaire d'une gamme de catalyseurs en raison de sa précision et sa reproductibilité élevées. Par exemple, les Pt, Pd et Rh dans les convertisseurs catalytiques ; les Al, Ni, V, Ti, Fe et S dans les procédés catalytiques FCC ; et les rapports Si/Al dans les zéolites. La fluorescence X peut également être utilisée pour détecter la présence et la concentration de poisons catalytiques qui provoquent la désactivation chimique, tels que les Cl, S, Sn et Pb. L'analyse XRF permet d'économiser beaucoup de temps et d'argent par rapport aux techniques alternatives, et Malvern Panalytical fournit trois solutions principales : les systèmes EDXRF de paillasse tels que l'Epsilon 4, les systèmes WDXRF posés au sol tels que le Zetium et les solutions en ligne telles que l'Epsilon XFlow. Malvern Panalytical fournit également plusieurs solutions de préparation d'échantillons pour XRF, ICP et AA par le biais de sa gamme Claisse.

Diffraction des rayons X

La diffraction des rayons X (XRD, X-Ray Diffraction) est un outil fondamental pour la conception, le développement et la production de catalyseurs puisqu'elle peut fournir des informations sur la structure brute et la composition de matériaux catalytiques solides tels que les oxydes métalliques et les zéolites. Les systèmes XRD sont couramment utilisés pour surveiller la production de catalyseurs FCC, en particulier pour analyser la taille et la cristallinité de la maille élémentaire. Les systèmes XRD peuvent également être utilisés pour déterminer la taille de cristallisation soit en analysant les largeurs de pic à partir d'une mesure de diffraction typique, soit en utilisant la diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS, Small Angle X-ray Scattering). Les matériaux non cristallins peuvent également être étudiés à l'aide de l'analyse de la fonction de distribution de paires (PDF, Pair Distribution Function). Malvern Panalytical fournit deux solutions XRD principales, le diffractomètre de paillasse Aeris pour l'analyse de routine et le diffractomètre polyvalent Empyrean pour une analyse structurelle plus détaillée.

Diffraction laser

La diffraction laser est une technique de granulométrie largement utilisée pour les matériaux de tailles comprises entre des centaines de nanomètres et plusieurs millimètres. Elle peut être appliquée à des dispersions sèches ou humides en laboratoire ou sur une ligne de procédé. Pour les applications catalytiques, les données granulométriques générées à l'aide de la diffraction laser peuvent être utilisées pour calculer une surface spécifique (SSA, Specific Surface Area) en convertissant la distribution de volume rapportée en une distribution de surface. Les titrations de pression peuvent également aider à comprendre le risque d'usure, un facteur important pour prédire la durée de vie des catalyseurs dans les réacteurs à lit fluidisé. Le Mastersizer  de Malvern Panalytical est l'outil de granulométrie le plus utilisé pour l'analyse catalytique en laboratoire, tandis que l'Insitec peut être utilisé pour l'analyse en ligne dans un environnement de production.

Autres technologies

En plus des techniques mentionnées ci-dessus, Malvern Panalytical propose plusieurs autres solutions pour l'analyse de catalyseur, y compris le Zetasizer, qui est utilisé pour évaluer la taille et la stabilité des dispersions de particules, et le Morphologi 4, qui utilise l'analyse d'image pour déterminer la distribution de forme et de taille des particules. Le Morphologi 4 est également disponible avec un spectromètre Raman intégré, qui fournit des informations chimiques spécifiques aux particules.