• Langue : Français
• Discipline : Molécules et matière condensée
• Identifiant : 2020LILUR025
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 23/06/2020

Résumé en langue originale

Depuis la découverte des matériaux à mésoporosité ordonnée au début des années 90, leurs synthèses se sont largement développées. Leurs propriétés texturales particulières, facilitant le transport des réactifs et des produits jusqu’aux sites actifs, ont permis un essor rapide de leur utilisation et notamment en catalyse hétérogène (énergie, biomasse, environnement). Cependant, pour certaines applications particulières, des limitations diffusionnelles conséquentes apparaissent. C’est particulièrement le cas lors de réactions sur les biopolymères (glucose, cellulose, lignine, etc.) et les triglycérides issus de la biomasse. Le développement de supports de catalyseurs hiérarchisés, présentant plusieurs échelles de porosité, permet de s’affranchir de ce problème et ainsi améliorer l’activité catalytique du matériau. Dans cette étude, l’objectif est de préparer des supports de catalyseurs monolithiques présentant une porosité hiérarchisée (micro/méso/macro) à partir de poudres de SBA-15, une silice mésoporeuse présentant un réseau poreux 2D. La réplication d’un édifice sacrificiel en billes de PMMA préparé par chimie-formage, à partir d’une suspension aqueuse de SBA-15 de viscosité adaptée, a été la première voie de préparation étudiée. Après optimisation du procédé de mise en forme et des traitements thermiques de consolidation, les résultats ont démontré qu’il est possible d’obtenir des monolithes méso-/macroporeux sans additif de frittage présentant des tenues mécaniques intéressantes mais au détriment des propriétés texturales (jusqu’à 36 kPa de résistance à la compression, pour 290 m²/g de surface spécifique). Une approche modifiée, utilisant une suspension de billes de PMMA dispersées permet d’améliorer les propriétés mécaniques de l’objet final (jusqu’à 86 kPa sans perte notable de propriétés texturales). L’intérêt de cette approche est qu’elle permet d’incorporer, au moment de l’assemblage de l’objet, des liants tels que la bentonite ou des frittes de verre en différentes proportions afin de renforcer la résistance mécanique des monolithes. En particulier, l’ajout de 2%m de bentonite aux suspensions de SBA-15 permet, à 900°C, d’obtenir des monolithes méso-/macroporeux présentant des tenues mécaniques accrues tout en conservant les propriétés texturales (jusqu’à 343 kPa pour 305 m²/g). Tous ces objets présentent une porosité hiérarchisée sur plusieurs échelles : une micro- et mésoporosité intragranulaire associée à la SBA-15, une « petite » macroporosité résultant des espaces interparticulaires dus à l’arrangement des grains de SBA-15 dans les parois du matériau (quelques μm) et une « grande » macroporosité sphérique interconnectée induite par l’empreinte des billes de PMMA.

Résumé traduit

Over the last decades, synthesis of ordered mesoporous materials has been widely studied because of their unique structural properties. In heterogeneous catalysis, they provide easier mass transfer of reactants and products to active sites. However, for some specific industrial catalytic processes, they are limited by internal diffusion, especially for reactions involving biopolymers and/or triglycerides from the biomass. The stabilisation of a multiscale porosity in the material can allow the elimination of such constraints during reaction and can have a positive impact on the catalyst activity. In this study, hierarchical monoliths with multiscale porosity (micro/meso/macro) have been produced from a mesoporous silica powder (SBA-15). Strategy of preparation involves the replication of an organised sacrificial polymeric framework, infiltrated with an optimised slurry of mesoporous silica. After thermal treatment, the results indicate that monolithic meso-/macroporous materials showing an interesting mechanical stability can be prepared at the expense of textural properties (compressive strength up to 36 kPa for 290 m²/g of specific surface area). Using a modified approach consisting in dispersing the polymer beads in the aqueous silica slurry, the mechanical strength of the monoliths can be improved up to 86 kPa while keeping similar textural properties. This approach is also interesting since it allows the use of binders such as bentonite or glass frits. In particular, adding 2 wt.% of bentonite to SBA-15 slurries greatly improves the mechanical stability of the final objects after heat treatment at 900°C while having similar specific surface area (up to 343 kPa for 305 m²/g). All the obtained monoliths have a multiscale porosity: a micro- and a mesoporosity brought by the amorphous SBA-15; a micrometer-sized interparticular “small” macroporosity between the silica grains in the walls of the monoliths; and a “large” macroporosity produced by the replication of the polymer beads.