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La modélisation moléculaire, un domaine d'excellence d'IFPEN mis à profit pour améliorer les catalyseurs

Juillet 2013

Les silice-alumines amorphes sont des matériaux solides appartenant à la famille chimique des alumino-silicates, dont font partie de nombreux minéraux naturels tels que les zéolithes ou le mica. Ils sont constitués d’atomes d'aluminium, de silicium, d’oxygène et d’hydrogène, et dotés de propriétés acides au niveau de leurs surfaces. Ils sont aujourd’hui utilisés comme catalyseurs ou supports de catalyseurs en vue de l'obtention de carburants propres ou de la conversion de la biomasse. Malgré le nombre important de recherches expérimentales qui leur ont été consacrées, les facteurs déterminant les performances de ces matériaux à l'échelle atomique restent toujours mal connus.

Pour mieux comprendre ces phénomènes, une équipe de recherche en catalyse et séparation d'IFP Energie nouvelles (IFPEN) a recours à la modélisation moléculaire. Ce domaine, dans lequel IFPEN a acquis des compétences au meilleur niveau mondial, consiste à reproduire les interactions entre les atomes afin de prédire les propriétés d'un matériau ou d'un produit.

Les chercheurs d'IFPEN ont conduit ces travaux, en partenariat notamment avec le laboratoire de physico-chimie des Surfaces de Chimie Paris-Tech, afin d’identifier les structures de la surface des silices-alumines amorphes les plus avantageuses pour la catalyse. Faisant appel à des outils de mécanique quantique, cette équipe a mis au point un modèle original qui a permis, en 2009, non seulement de réaliser un premier inventaire de ces structures, mais également d’en identifier les briques élémentaires dont une est plus particulièrement intéressante : le "silanol pseudo-ponté", « pseudo-bridging silanol (PBS) » en anglais. Depuis, d’autres travaux consistant à simuler la réaction de ces structures en présence de molécules basiques ont renforcé la crédibilité de cette hypothèse.

Modèle de surface d'alumine silicée

Les résultats de ces recherches ont donné lieu à plusieurs publications dans des revues de premier rang.
 

Références :

  • Pseudo-bridging Silanols as versatile Brønsted Acid Sites of Amorphous Aluminosilicates Surfaces, Chizallet C., Raybaud P. Angew. Chem. Int. Ed., 48, 2891 –2893, 2009.
    http://dx.doi.org/10.1002/anie.200804580
     
  • Acidity of amorphous silica-alumina: from coordination promotion of Lewis sites to proton transfer, Chizallet C., Raybaud P., ChemPhysChem, 11, 105-108, 2010.
    http://dx.doi.org/10.1002/cphc.200900797
     
  • Brønsted acidity of amorphous silica-alumina: the molecular rules of proton transfer, Leydier F., Chizallet C., Chaumonnot A., Digne M., Soyer E., Quoineaud A.A., Costa D., Raybaud P., J. Catal., 284, 215-229, 2011.
    http://dx.doi.org/10.1016/j.jcat.2011.08.015
     
  • CO adsorption on amorphous silica-alumina: electrostatic or acidity probe ?
    F. Leydier, C. Chizallet, D. Costa, P. Raybaud, Chem. Commun., 48, 4076-4078, 2012.
    http://dx.doi.org/10.1039/C2CC30655G
     

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