Matériaux catalytiques hétérogènes

Les matériaux catalytiques hétérogènes sont des solides dont les surfaces accélèrent les réactions chimiques des gaz ou des liquides sans être consommés, en fournissant des sites actifs où les réactifs s'adsorbent, réagissent et se désorbent.

Definition

Un catalyseur hétérogène est un solide qui augmente la vitesse d'une réaction se produisant dans une phase différente en fournissant des sites actifs de surface, abaissant la barrière d'activation par adsorption et réorganisation des liaisons tout en restant lui-même non consommé.

Scope

Ce sujet couvre la chimie des matériaux des catalyseurs solides : les nanoparticules métalliques supportées, les oxydes métalliques et les zéolithes microporeuses ; les sites actifs et la structure de surface qui déterminent l'activité et la sélectivité ; les étapes d'adsorption, de réaction de surface et de désorption du cycle catalytique ; ainsi que les rôles du support, des promoteurs et de la porosité. Il établit un lien entre la chimie de surface et des défauts et la performance et la durabilité des catalyseurs industriels.

Core questions

• Quels sont les sites actifs d'un catalyseur solide ?
• Comment l'adsorption, la réaction de surface et la désorption constituent-elles le cycle catalytique ?
• Comment le support, les promoteurs et la porosité affectent-ils l'activité et la sélectivité ?
• Qu'est-ce qui cause la désactivation d'un catalyseur ?

Key concepts

• Sites actifs
• Adsorption et désorption
• Catalyseurs métalliques supportés
• Zéolithes et sélectivité de forme
• Promoteurs et supports
• Désactivation et empoisonnement

Key theories

Le cycle catalytique de surface

La catalyse se déroule par adsorption des réactifs sur les sites de surface, réaction des espèces adsorbées et désorption des produits ; la force d'adsorption doit être intermédiaire — suffisamment forte pour activer les liaisons mais suffisamment faible pour libérer les produits — ce qui donne la relation en forme de volcan entre l'énergie de liaison et l'activité.

Sites actifs, supports et sélectivité

L'activité réside sur des sites de surface spécifiques dont la structure et l'état électronique déterminent la réaction ; la dispersion de la phase active sur un support maximise les sites, tandis que les promoteurs et les pores à sélectivité de forme des zéolithes ajustent les produits qui se forment.

Mechanisms

Les molécules réactives se chimisorbent sur les sites de surface, où les liaisons s'affaiblissent et se réorganisent ; les intermédiaires de surface réagissent et les produits se désorbent pour libérer le site pour un nouveau cycle. L'activité dépend de la force d'adsorption et de la structure du site, et la désactivation se produit par empoisonnement, encrassement, frittage ou perte de phase active.

Clinical relevance

Les catalyseurs hétérogènes sont à la base d'une grande partie des industries chimiques et énergétiques : ils produisent des engrais et des carburants, raffinent le pétrole, contrôlent les émissions automobiles et industrielles, et permettent une synthèse chimique plus propre. L'amélioration de leur activité, de leur sélectivité et de leur stabilité a donc un impact économique et environnemental considérable.

History

La catalyse hétérogène est née des procédés industriels du début du XXe siècle, tels que la synthèse de l'ammoniac, avec Sabatier et Langmuir posant les bases de la réactivité de surface et de l'adsorption. Les études ultérieures d'Ertl à l'échelle atomique sur les réactions sur des surfaces bien définies, reconnues par le prix Nobel de 2007, ont établi la compréhension moléculaire du fonctionnement des catalyseurs solides.

Key figures

• Gerhard Ertl
• Irving Langmuir
• Paul Sabatier

Seminal works

• chorkendorff2017
• thomas1997

Frequently asked questions

Pourquoi une force d'adsorption intermédiaire est-elle optimale pour un catalyseur ?

Si les réactifs se lient trop faiblement, ils ne sont pas activés ; s'ils se lient trop fortement, les produits ne peuvent pas quitter le site et le bloquent. Les catalyseurs les plus actifs lient les réactifs avec une force intermédiaire, un équilibre illustré par la relation en forme de volcan entre l'énergie de liaison et l'activité.

Qu'est-ce qui rend les zéolithes utiles comme catalyseurs ?

Les zéolithes sont des aluminosilicates cristallins dotés de pores réguliers de taille moléculaire et de sites acides. Leurs dimensions de pores n'admettent et ne libèrent que des molécules de certaines tailles et formes, ce qui confère une catalyse à sélectivité de forme qui favorise des produits spécifiques, ce qui est précieux dans le raffinage du pétrole et la synthèse chimique.