Étude de nouveaux systèmes catalytiques de type piège à NOx à base de terres rares : contribution à l’élaboration d’un catalyseur NOx-Trap via la spectroscopie IRTF Operando

par Arnaud Lahougue

Thèse de doctorat en Chimie théorique, physique, analytique

Sous la direction de Marco Daturi.

Soutenue en 2008

à Caen .

mots clés

• Basicité
• Automobiles -- Dispositifs antipollution
• Automobiles -- Convertisseurs catalytiques
• Spectroscopie infrarouge
• Catalyseurs -- Empoisonnement
• Terres rares
• Oxydes d'azote
• Nitrates

Résumé

Cette étude trouve son application dans la catalyse de dépollution automobile, et plus précisément dans l’élimination des oxydes d’azote présents dans les échappements Diesel. L’objectif de ces travaux est de mettre au point des catalyseurs pièges à NOx, alternatifs aux matériaux couramment employés à base d’alcalins ou d’alcalino-terreux et présentant des problèmes de régénération, puis de comprendre les mécanismes réactionnels intervenant. Suite à des études structurales et superficielles, les propriétés essentielles, ainsi que les éléments pouvant répondre à ces attentes ont été identifiés. Ainsi, de nouvelles formulations à base de terres rares ont été envisagées. Ces matériaux ont ensuite été testés en simulant les conditions réelles de fonctionnement (étude Operando). Le point fort de notre méthode d’investigation réside dans la possibilité d’analyser simultanément les espèces formées sur le matériau (par IR) et celles présentes en phase gaz (par SM et IR), au cours de cycles alternés inhérents au procédé NOx-Trap. Des résultats très intéressants ont été obtenus sur un catalyseur à base de cérine-zircone dopé en Pr (Pt/Ce0,59 Zr0,34 Pr0,07 O2). Sa plus forte mobilité en oxygène, associée à une basicité élevée mais inférieure aux adsorbants tels que Ba ou K, lui permet d’améliorer son efficacité en stockage des NOx à basse température, tout en restant actif à haute température, et de favoriser le déstockage des nitrates et des sulfates sous flux réducteur. En modulant les propriétés de ces catalyseurs, nous sommes alors arrivés à une formulation pouvant répondre aux exigences du procédé NOx-Trap.

Titre traduit

Study of NOx-Trap systems based on rare earths : a contribution to the elaboration of a NOx-Trap catalyst via Operando FTIR spectroscopy

Résumé

This study finds its application in exhaust gas post treatment catalysis, and more precisely in the nitrogen oxide abatement from Diesel exhausts. The aim of this work is to elaborate alternative NOx-Trap catalysts to those currently used, based on alkalines and alkaline-earths which present regeneration problems, and to understand reaction mechanisms. Following structural and surface studies, essential properties and elements able to answer these expectancies were identified. Then, new formulations containing rare earths were considered. These materials were then tested, simulating real working conditions (operando studies). Our experimental device allows simultaneously to analyse surface species (by IR) and the corresponding gas phase (by MS and IR) during alternate cycles simulating NOx-Trap process. Very interesting results were obtained on a ceria-zirconia catalyst domed by praseodymium (Pt/Ce0,59 Zr0,34 Pr0,07 O2). Its higher oxygen mobility and weaker basicity than others adsorbents as Ba or K, improve its storage efficiencies at low temperature, remaining active at high temperature, and allow nitrates and sulphates destorage under reducing flow. By modulating properties of these catalysts, we have therefore developed a material able to fulfill the requirements of NOx-Trap process.