Influence de l'incorporation du vanadium dans l'hydroxyapatite sur la réaction d'oxydation déshydrogénante du propane

par Sarah Petit

Thèse de doctorat en Physique et Chimie des Matériaux

Sous la direction de Guylène Costentin et de Christel Laberty-Robert.

Soutenue le 06-11-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Réactivité de Surface (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Bonhomme.

Le jury était composé de Rose-Noëlle Vannier, Cyril Thomas.

Les rapporteurs étaient Jean-Marc Millet, Jean-Yves Piquemal.


  • Résumé

    Dans l'objectif de combler le gap entre l'offre et la demande en propène, la réaction d'oxydation déshydrogénante du propane (ODHP) est une solution alternative à la réaction de déshydrogénation directe. Les hydroxyapatites (HAp) modifiées au vanadium sont des matériaux bi-fonctionnels aux propriétés acido-basiques et redox intéressants pour cette réaction. L'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement catalytique de ces systèmes et d'établir des relations entre structure et réactivité. Par le contrôle des conditions de synthèse et pourvu que le pH soit maintenu élevé (~9), la solution solide Ca10(PO4)6-x(VO4)x(OH)2 est obtenue dans toute la gamme de composition (x 0→ 6), alors que pour un pH inférieur, un mélange de phases d'HAps au vanadium et de Ca2V2O7 est obtenu pour x ≥ 4. Pour la solution solide, contrairement à la sélectivité en propène, la conversion en propane n'augmente pas avec la teneur en vanadium non exposé en surface. L'activation de la liaison C-H du propane s'explique par une propriété intrinsèque à la structure HAp, en lien avec la formation thermiquement activée d'anions O2- très basiques. Leur formation in situ résulte de la déshydratation progressive des colonnes d'ions OH- via le processus de conduction ionique par les protons, exalté sous conditions réactionnelles. L'organisation du vanadium sous la forme de tétramères dans Ca2V2O7 au lieu de tétraèdres isolés dans la seule solution solide favorise les échanges redox et explique l'augmentation de la sélectivité. Le contact intime entre les deux phases et la formation d'une interface cohérente permet un optimum de rendement en propène du fait de la synergie des propriétés des deux phases.

  • Titre traduit

    Influence of the incorporation of vanadium in hydroxyapatite on the oxidative dehydrogenation of propane reaction


  • Résumé

    In order to fill the gap between propene supply and demand, the oxidative dehydrogenation of propane (ODHP) is an alternative solution to the direct dehydrogenation process. Vanadium-modified hydroxyapatites (HAp) are bifunctional catalysts combining acid-base and redox properties which were shown to be of interest for the ODHP reaction. In order to optimize this system, the aim of the work was to investigate the catalytic behavior of the vanadium-modified hydroxyapatites and to establish structure reactivity relationships. By peculiar attention was devoted to the control of synthesis. Provided high pH value is maintained during the synthesis, the Ca10(PO4)6-x(VO4)x(OH)2 solid solution was successfully obtained for x 0→ 6, whereas at lower pH, a mixture of Vx-HAp solid solution and of Ca2V2O7 was obtained from x ≥ 4. For the solid solution, contrary to propene selectivity, the propane conversion does not depend on the vanadium content, unexposed on the surface. The activation of the C-H bond of propane is controlled by an intrinsic properties of the HAp structure, in relation with the thermally activated formation of strong basic O2- anions. Their in situ formation results from the progressive dehydration of OH- columns via an ionic conduction process by protons that is enhanced under catalytic conditions. Due to the tetrameric environment of vanadium in Ca2V2O7 against isolated tetrahedra in the solid solution, redox exchanges are facilitated, improving the selectivity in propene. The intimate contact between the two phases and the formation of a coherent interface leads to an optimal yield in propene, due to synergistic effects of the two phases.

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