Le 10 Avril 2014 aura lieu la réunion de démarrage de notre nouveau projet ANR Blanc intitulé MOSAIC, en collaboration avec RENNES (ISCR) et LILLE (UCCS).
La recherche sur la catalyse hétérogène est un domaine très actif à la fois dans des contextes académiques et industriels. Cependant, le nombre de catalyseurs réellement appliqués industriellement reste limité, malgré la nécessité sociétale d’économiser des ressources en matière première et en énergie. Ceci est dû principalement à la difficulté d’avoir des catalyseurs vraiment optimisés dans des conditions réelles de fonctionnement industriel et la mise au point encore très empirique de ces catalyseurs dans l’industrie.L’oxydation sélective du n-butane en anhydride maléique est l’un des exemples de procédés catalytiques utilisés dans l’industrie mais loin d’être vraiment optimisé. En effet, bien que le procédé ait été développé depuis environ 40 ans, le mécanisme de réaction des phosphates de vanadium utilisé dans le cycle catalytique reste une question ouverte. Il y a donc un vrai défi de recherche fondamentale pour améliorer de manière significative ce procédé important, puisque la production d’anhydride maléique est très fortement demandée, par exemple pour la fabrication de résines polyester, comme additifs dans les lubrifiants, ou encore dans la production de films pour les écrans à cristaux liquides…
Le projet ANR MOSAIC (acronyme de “Multiscale Operando Structural chAracterization of vanadium phosphate Industrial Catalyst”) vise à optimiser ces catalyseurs en tentant de comprendre l’évolution de la masse interne (« bulk ») des phosphates de vanadium. Comme cette classe de matériau catalytique est exploitée depuis longtemps, un grand nombre d’études, essentiellement basées sur des stratégies empiriques, ont été consacrées à l’optimisation du catalyseur (nouvelles voies de synthèse, introduction de promoteurs,…). Mais, bien que des travaux fondamentaux aient été aussi consacrés à la compréhension du catalyseur, ils ont principalement porté sur la surface active supposée.
Cependant des résultats contrastés sur des catalyseurs supportés et les travaux très récents, corrélant les propriétés de la masse du catalyseur et l’activité catalytique, ont mis en évidence le rôle clé de la matière interne du catalyseur par rapport à sa surface. En outre la diffusion d’oxygène dans le matériau et la relaxation du vanadium par le mouvement d’atomes qui se produisent au cours du processus catalytique ont été suggérées, mais jamais étudiées en profondeur.
La caractérisation des matériaux à l’échelle atomique et la corrélation de leur structure avec les propriétés catalytiques sont les principales exigences pour obtenir la synthèse ciblée de nouveaux catalyseurs efficaces. Parmi les différentes méthodes disponibles, la RMN du solide est devenue l’une des techniques clés. De nombreux noyaux tels que le vanadium et le phosphore sont sensibles en RMN et présentent une large gamme de paramètres RMN qui peuvent être utilisés pour décrire avec précision la structure locale, souvent en complément de techniques de diffraction. Le développement le plus récent est la combinaison de la RMN expérimentale avec des méthodes de chimie théorique pour calculer des paramètres RMN de matériauxdonnés.
Dans ce projet, nous proposons de développer une approche fondamentale multi-technique pour « démêler »dans des conditions operando les propriétés structurelles multi- échelle de l’ensemble (Surface/ masse) de ces matériaux catalytiques. La combinaison de diffraction/diffusion des rayons X et de RMN du solide est le moyen le plus prometteur d’aborder l’ordre local dans ces matériaux et la dynamique de l’oxygène. Les résultats de ce projet devraient avoir un impact important sur la communauté scientifique (pour la conception de nouveaux catalyseurs, mais aussi sur les aspects méthodologiques de la caractérisation operando de catalyseurs en fonctionnement, … ).