Synthèse par procédé sol-gel non-hydrolytique de catalyseurs oxydes mixtes pour la métathèse d'oléfines

par Karim Bouchmella

Thèse de doctorat en Chimie et Physicochimie des matériaux

Sous la direction de Hubert Mutin.

Soutenue le 31-10-2013

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Vasile Hulea.

Le jury était composé de Hubert Mutin, Vasile Hulea, Catherine Pinel, Xavier Carrier, André Vioux, Damien Debecker, Alexandra Chaumonnot.

Les rapporteurs étaient Catherine Pinel, Xavier Carrier.


  • Résumé

    Les synthèses par sol-gel non-hydrolytique (SGNH) d'oxydes mixtes Re-Si-Al et Mo-Si-Al sont présentées comme une voie innovante pour la préparation en une étape de catalyseurs hétérogènes de métathèse. Les catalyseurs supportés à base d'oxyde de molybdène sont intéressants du fait de leur faible coût d'achat, de leur résistance mécanique et de leur bonne activité à température modérée. Les catalyseurs supportés à base d'oxyde de rhénium sont connus pour être très actifs et sélectifs même à température ambiante. Cependant ils sont chers et la sublimation de l'oxyde de rhénium pose problème lors de leur synthèse. La synthèse utilisée est basée sur la réaction en une étape des précurseurs chlorés (ReCl5 ou MoCl3, SiCl4, AlCl3) avec du diisopropyléther (iPr2O) à 110 °C dans le dichloromethane. Le faible coût des précurseurs, l'absence de modificateurs de réactivité et de templates ainsi que la simplicité de synthèse rendent le procédé SGNH particulièrement attractif. Les catalyseurs oxydes mixtes obtenus présentent des compositions bien contrôlées, des textures mésoporeuses et avec des densités en sites acides élevées. La caractérisation par DRX, XPS et ToF-SIMS montre que les catalyseurs peuvent être décrits comme une matrice silice-alumine amorphe avec des espèces de surface Mo et Re bien dispersées. Pour les catalyseurs à base de Re, dans les compositions riches en silice, des pertes de rhénium ont été observées durant la calcination. Cette perte de rhenium peut être évitée en augmentant le taux d'alumine dans la composition. De plus, nous avons montré que la sublimation de Re, au cours de la calcination dans les compositions riches en silice, n'a pas lieu quand toutes les étapes du procédé (synthèse, lavage, séchage et calcination) sont réalisées en l'absence d'humidité. Nous avons étudié l'influence de la composition sur la texture, la structure, l'acidité et les propriétés de surface, qui sont corrélées aux performances catalytiques. Les performances des catalyseurs Re-Si-Al et Mo-Si-Al ont été évaluées en métathèse du propène et en métathèse croisée de l'éthène et du trans-2-butène. Les catalyseurs SGNH sont comparés à des catalyseurs avec des compositions similaires préparés par d'autres méthodes (imprégnation, thermal spreading, flame spray pyrolysis). Les catalyseurs préparés par SGNH présentent une très bonne activité spécifique en métathèse.

  • Titre traduit

    Heterogeneous catalysts via non-hydrolytic sol/gel process


  • Résumé

    The non-hydrolytic sol-gel synthesis (NHSG) of Re-Si-Al and Mo-Si-Al mixed oxides was proposed as an innovative one step route to heterogeneous olefin metathesis catalysts. Supported molybdenum oxide catalysts are receiving much attention as a result of their relatively low price, robustness and good activity at low temperature. Supported rhenium oxide catalysts are known to be highly active and selective even at room temperature. However, they are expensive and moderately stable because of the sublimation of the rhenium oxide. The NHSG synthesis used in this work is based on the one pot reaction of chloride precursors (ReCl5 or MoCl3, SiCl4, AlCl3) with diisopropylether (iPr2O) at 110 °C in dichloromethane. The simplicity of NHSG makes it attractive: multi-step procedures, expensive precursors, or reactivity modifiers are not needed. The mixed oxide catalysts exhibited well-controlled compositions and mesoporous textures, with high acid site densities. XRD, XPS and ToF-SIMS showed that the catalysts could be described as an amorphous silica-alumina matrix with well-dispersed Re or Mo surface species. In the case of Re-based catalysts, rhenium losses by sublimation during calcination were observed for the silica-rich formulations. The loss of rhenium could however be avoided by increasing the Al content. More importantly we demonstrate that Re sublimation during calcination of silica-rich formulations is suppressed when the whole preparation procedure (synthesis, washing, drying and calcination) is carried out in the absence of water. Particular attention was devoted to the study of the influence of the composition on texture, structure, acidity and surface properties, which were correlated with the catalytic performances. The performance of selected Re-Si-Al and Mo-Si-Al catalysts was evaluated in the metathesis of propene and in the cross-metathesis of ethene and trans-2-butene. The NHSG catalysts were compared to catalysts of similar compositions prepared by other more methods (impregnation, thermal spreading, flame spray pyrolysis). The catalysts prepared by NHSG have a high specific activity in the metathesis reaction.

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