Synthèse de nouveaux matériaux lamellaires pour des applications environnementales

Synthesis of new lamellar materials for environmental applications

• Auteur / Autrice : Dylan Chaillot
• Direction : Simona Bennici, Jocelyne Brendlé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 04/09/2020
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse - IS2M - UMR7361

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrotalcite

Gaz à effet de serre -- Réduction

Absorption et adsorption

Dioxyde de carbone

Sol-gel, Procédé

Déshydratation

Fructose

Composés lamellaires

Mots clés libres

Matériaux lamellaires

Sol-gel

Environnement

Synthèse

Hybrides

Hydrotalcites

Absorption du CO2

Déshydratation du fructose

Lamellar materials

Sol-gel

Environment

Synthesis

Hybrids

Hydrotalcites

CO2 absorption

Fructose dehydration

Résumé

Cette thèse est centrée sur le besoin de trouver de nouveaux matériaux propres pour l’environnement à des fins industrielles, notamment pour réduire les émissions de gaz à effet de serre, le CO2 étant le plus préoccupant. Pour cela, les matériaux doivent présenter de grandes capacités d’adsorption et une bonne sélectivité envers ces gaz, l’adsorption de CO2 étant notamment corrélée à un grand nombre de sites basiques accessibles et à de larges particules. Ainsi, des zéolites, des matériaux carbonés, et des Hydroxydes Double Lamellaire (HDL) et autres matériaux dérivés ont été testés récemment tout en démontrant des résultats prometteurs. D’un autre côté, il est également nécessaire de trouver de nouvelles sources d’énergies plus respectueuses de l’environnement tout en minimisant les pertes de performances. Ainsi, les hydrates de carbones (glucides) dérivés de la biomasse sont les sources de carbone les plus abondantes sur Terre avec des applications prometteuses en chimie, dans l’industrie alimentaire, en papeterie, et dans les industries pharmaceutiques. Parmi les molécules les plus intéressantes, le 5-Hydroxyméthylfurfural (5-HMF) peut être utilisé comme un substitut de molécules dérivées du pétrole. Elle peut être synthétisée facilement par déshydratation de glucides tels que le fructose ou le glucose, en association avec des sous-produits (acide lévulinique et acide formique). Cette réaction catalytique nécessite des matériaux avec une grande surface spécifique et des sites facilement accessibles pour maximiser la surface réactionnelle et réagir avec les glucides dissouts.L’optimisation des conditions de synthèse par voie sol-gel des matériaux hybrides organique-inorganique de structure de type talc et saponite et des hydrotalcites sont les principaux objectifs de cette thèse, avant de démontrer leurs propriétés par des réactions tests : l’adsorption de CO2 par des hydrotalcites, et la déshydratation du fructose dans le cas des matériaux hybrides organique-inorganique de structure de type talc et saponite.De nombreuses techniques ont permis de caractériser les propriétés physico-chimiques de ces matériaux : Diffraction des Rayons X, spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier, spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire du 27Al et du 29Si, Fluorescence des Rayons X, analyses thermogravimétriques, Microscopie Électronique à Balayage, adsorption d’azote N2, et calorimétrie d’adsorption d’ammoniac et de dioxyde de soufre. Ainsi, les analyses réalisées sur les matériaux hybrides de structures lamellaires démontrent une faible cristallinité dû aux courts temps de synthèse réalisés par voie sol-gel, mais également une faible stabilité thermique jusqu’à 200°C. De ce fait, la déshydratation du fructose en 5-HMF semblait être une réaction test viable pour mesurer l’acido-basicité de surface des échantillons en fonction de leur rapport molaire Si/Al, mais les très faibles quantités de 5-HMF détectées par HPLC indique que cette étude a besoin d’être davantage approfondie. D’un autre côté, les analyses réalisées sur les hydrotalcites synthétisées par voie sol-gel montrent une structure lamellaire aux rapports molaires Mg/Al proches de 3. La calcination de ces matériaux a permis d’obtenir des oxydes mixtes dont leurs capacités d’adsorption du CO2 ont été mesurées à haute température (400°C) et comparées à des matériaux similaires reportés dans la littérature. Au final, les hydrotalcites synthétisées par voie sol-gel démontrent des performances similaires à des hydrotalcites synthétisées par des méthodes plus couteuses en temps et en énergie. Ainsi, la voie sol-gel permet des économies non-négligeables à échelle industrielle. [...]

This thesis is centered on the need to find sustainable green materials for industrial processes in order to reduce harmful gas emissions, CO2 being one of the most known and dangerous atmospheric gases. These new materials must provide high adsorption capacities and great selectivity towards these gases, as the CO2 adsorption is related to the high presence of accessible basic sites in large particles. Thus, zeolites, carbon-based materials, Layered-Double Hydroxides (LDHs) and derived materials are currently being tested and exhibit promising results. The need to find alternative sustainable energy sources is also constantly rising while reducing performance losses. Thus, biomass-derived carbohydrates are the most abundant carbon sources on Earth with promising applications in various fields, such as chemistry, food, paper, and pharmaceuticals. 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF) is one of the most promising molecules derived from carbohydrates and can substitute petroleum-derived molecules. It can be easily synthesized by dehydration of carbohydrates such as glucose or fructose, associated with byproducts (levulinic and formic acid for example). This catalytic reaction can be performed by materials with high specific surface areas and accessible sites in order to increase the reactive surface.The optimization of the sol-gel synthesis parameters for the formation of hydrotalcites and organic-inorganic hybrids having a talc- or saponite-like structure is the main goal of this thesis, before measuring their acido-basic properties by performing test reactions: the adsorption of CO2 at high temperature by the hydrotalcites, and the dehydration of fructose into 5-HMF with the organic-inorganic hybrids with a talc- or saponite-like structure.The physico-chemical properties of these materials have been characterized by various techniques: X-Ray Diffraction, Fourier-Transformed Infrared spectroscopy, solid-state 27Al and 29Si Nuclear Magnetic Resonance, X-Ray fluorescence, thermogravimetric analyses, Scanning Electron Microscopy, N2 adsorption, and adsorption calorimetry of ammoniac and sulfur dioxide. Thus, the analyses performed on organic-inorganic hybrid materials evidenced a low crystallinity due to the sol-gel synthesis parameters, and a low thermal stability up to 200°C. Thereby, the dehydration of fructose into 5-HMF was one of the most promising test reactions in order to demonstrate the impact of the Si/Al molar ratios on the surface acidity of these materials, but the very low 5-HMF concentrations detected by HPLC demonstrate that this study needs to be deeply investigated. On the other side, the analyses performed on the sol-gel hydrotalcites evidenced a lamellar structure with Mg/Al molar ratios close to 3. Mixed oxides have been obtained by calcination of these materials, whose CO2 adsorption capacities have been measured at high temperature (400°C) and compared to similar materials reported in literature. In the end, sol-gel hydrotalcites exhibit similar performances than hydrotalcites synthesized by other processes that cost more time and energy. Thus, the sol-gel method can be an interesting alternative at industrial scale. [...]