Synthèses de microréacteurs à base de monolithes siliciques et zéolithiques à porosité hiérarchique pour le développement de la catalyse en flux

par Alexander Sachse

Thèse de doctorat en Chimie et Physicochimie des matériaux

Sous la direction de Anne Galarneau.

Soutenue le 26-10-2011

à Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie en cotutelle avec l'Ecole nationale supérieure de chimie (Montpellier) , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

Le jury était composé de Anne Galarneau, Matteo Guidotti, Dirk E. De Vos, Martin Hartmann, André Vioux, Agnès Grandjean.

Les rapporteurs étaient Matteo Guidotti, Dirk E. De Vos.

mots clés

• Monolithes
• Catalyse hérérogène
• Catalyse sous flux
• Microréacteurs
• Transformation pseudomorphique
• Monolithes zéolithiques
• Catalyse hétérogène
• Catalyse
• Microréacteurs chimiques

Résumé

L'objectif de ce travail est la synthèse et la fonctionnalisation de monolithes siliciques à porosité hiérarchique et leur utilisation en tant que microréacteur en catalyse sous flux. Une synthèse reproductible de monolithes siliciques a été mise à point. La fonctionnalisation avec une variété de fonctions a été réalisée, telle que la fonctionnalisation avec des groupements aminopropyle, avec de l'oxyde d'aluminium, par incorporation des MOFs (CuBTC) et par dépôt de nanoparticules de palladium. Les monolithes fonctionnalisés ont été testés en tant que microréacteurs catalytiques sous flux pour les réactions de Knoevenagel, de Diels-Alder et de Friedländer et montrent dans plusieurs cas une augmentation de la productivité des réactions par rapport aux réacteurs batch ou à lit fixe ainsi qu'une automatisation des procédés. La transformation pseudomorphique de monolithes siliciques en monolithes zéolithiques en phase SOD et LTA a été mise a point. Nous avons ainsi montré la première utilisation d'un monolithe macroporeux à base de zéolithes en tant que microréacteur pour la synthèse de produits de chimie fine en continu. Les monolithes zéolithiques ont aussi été analysés pour l'échange d'ions en dynamique et sont prometteurs pour une application en tant que matériaux pour la décontamination d'effluents radioactifs.

mots clés

• Monoliths
• Heterogeneous catalysis
• Flow catalysis
• Microreactors
• Pseudomorphic transformation
• Zeolite monoliths

Titre traduit

Synthesis of silica and zeolite monoliths with hierarchical porosity as microreactors for in-flow catalysis

Résumé

The aim of this work is the synthesis and the functionalization of silica monoliths with hierarchical porosity and their use as catalytic microreactors for flow-through chemistry. A reproducible synthesis of the silica monoliths was elaborated. The functionalization with a variety of functions has been performed, such as aminopropyl groups, aluminium oxide, MOFs (CuBTC), and palladium nanoparticles. These functionalized silica monoliths have been used for the Knoevenagel condensation, Diels-Alder reaction and Fiedländer reaction, where they show increasing productivities compared to classically used reactors (batch, packed-bed) and enable process automation. The pseudomorphic transformation of silica monoliths in zeolite monoliths in the SOD and LTA phase has been elaborated. We have preformed the first implementation of a macroporous zeolite monolith as microreactor for the fine chemical production in flow continuous conditions. The zeolite monoliths have been tested for dynamic ion exchange and are promising materials for the use as decontaminants of radioactive discharges.