Perovskite and Brownmillerite as catalyst support materials

par Pierre-Alexis Repecaud

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Werner Paulus et de Helena Kaper.

Soutenue le 16-11-2018

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Etude de conducteurs d'oxygène type pérovskites et brownmillérites comme support catalytiques


  • Résumé

    Ce projet est dédié à la recherche industrielle pour le développement de systèmes catalytiques innovants tels que le contrôle des émissions de véhicules. L'Europe connait actuellement une forte dépendance au niveau de l'importation de certains éléments utilisés comme support de catalyseur (oxyde de Cerium), nous souhaitons nous concentrer sur des éléments plus facilement disponibles tels que Ca, Fe, Mn, Sr, Cu... tout en essayant de garder le mécanisme catalytique bien connu de l'oxyde de cerium. Pour ce faire, nous avons sélectionné des conducteurs en oxygène de la famille des brownmillerites comme matériaux supports. Ceux ci présente des lacunes en oxygènes ayant un impact bénéfique sur leur activité catalytique pour les réactions d'oxydations. Il est aussi prévu de regarder les interactions entre métaux nobles et support conducteurs en oxygène pour une application de dépollution des gaz. Les réactions modèles étudiées au début de ce projet seront l'oxydation du CO ainsi que le stockage et la réduction des NOx. Les brownmillerites peuvent être vues comme des oxydes de type pérovskite avec un défaut en oxygène. Les brownmillerites ont une structure anisotropique avec un enchainement de lacines d'oxygènes-1D apportant une augmentation de l'activité catalytique. Ces browmillerites sont bien connues pour présenter une mobilité de l'oxygène à basse température. La présence de défauts tels que des liaisons anti-phase peut significativement diminuer la diffusion de l'oxygène. CaFeO2.5 riche en défauts, connu pour être une phase stœchiométrique peut être oxyder dans de "douces" conditions en CaFeO3 alors que l'oxydation d'un CaFeO2.5 ordinaire requiert des conditions extrêmes (1100°C et plusieurs GPa de pression en oxygène). Ainsi, introduire un nombre élevé de défauts dans la structure cristalline semble être une manière prometteuse de transformer des phases stoechiométriques en réservoir à oxygène. Les matériaux obtenus alors ayant des capacité de stockage et d'amélioration des réactions d'oxydations à température très modérée. Le mécanisme mis en jeu est comparable à celui de la capacité de stockage en oxygène des cérines dopées et offre donc un vrai potentiel catalytique. Au cours de ce projet CaFeO2.5 sera premièrement étudié mais nous étendrons l'étude avec des dopages (Cu, Mn, W) et une autre composition sera aussi étudiée : SrFeO2.5; Concernant le support nous souhaitons obtenir : -une grande dispersion du métal noble dans la matrice -une grande mobilité de l'oxygène à température modérée -une grande surface spécifique Obtenir ces trois caractéristiques simultanément est actuellement un challenge pour les brownmillérites. Pour ce faire nous souhaitons étudier différentes voies de synthèse. Une grande partie du projet sera dédiée aux caractérisations des matériaux avec des analyses structurales et spectroscopiques incluant de l'échange isotopique pour l'étude de la mobilité en oxygène. Ces études permettront une meilleure compréhension des propriétés des matériaux en relation avec leur activité catalytique. Les matériaux les plus prometteurs à l'issue de cette étude seront synthétisés à l'échelle du pilote par un processus d'électro-fusion.


  • Résumé

    The present project is dedicated to industrial research for the development of innovative catalytic systems for air purification, such as those used for the control of road vehicle emission (three way converter, TWC). In the context of Europe’s dependency on imports of some critical elements currently used as catalyst support (e.g. cerium oxide), we focus on more available elements such as Ca, Fe, Mn, Sr, Cu… by keeping the well-understood mechanisms governing the catalytic activity of cerium oxide in mind. As such, we choose oxygen ion conductors of the Brownmillerite family as support material, because it has been reported that lattice oxygen atoms have a beneficial impact on the catalytic activity of oxidation reactions. Next to the pure support material, also the interaction of a noble metal with the oxygen ion conductive support for the efficient removal of gas phase pollutants will be studied. In terms of catalytic reactions, the oxidation of CO, and the storage and reduction of NOx will be the primary metrics. In this project, oxygen ion conductors of the Brownmillerite family are chosen as support material. Brownmillerites can be regarded as oxygen-deficient perovskite type oxides. The Brownmillerite type structure is anisotropic with 1D-oxygen vacancy channels providing a catalytically enhanced surface/interface structure. Brownmillerites are known to reveal oxygen ion mobility down to ambient temperature. The presence of extended defects as anti-phase boundaries can significantly decrease the activation energy for oxygen diffusion. Defect-rich CaFeO2.5, which is traditionally known to be a stoichiometric line-phase, can be oxidized under mild conditions to CaFeO3, while the oxidation of ordinary CaFeO2.5 usually requires extreme reaction conditions, i.e. 1100°C and several GPa oxygen partial pressure. Thus, introducing a high concentration of defects seems to be a promising concept to transform even traditionally known stoichiometric line-phases to become a kind of oxygen sponge and behave as oxygen storage/buffer compound at very moderate temperatures. This mechanism is thus comparable to the oxygen storage capacity of doped cerium oxide, and offers a true potential for application in catalysis. Consequently, the Brownmillerite CaFeO2.5 will be a first candidate to study due to its known oxygen ion conductivity properties, however, also doping with other elements (e.g. Cu, Mn, W) and other compositions (e.g. SrFeO2.5) will be investigated. For the support material, we will attempt to achieve (i)- a high degree of dispersion of the noble metal into the matrix, (ii)- a high oxygen mobility at moderate temperatures (e.g. by introducing defects) and (iii)- a high surface area, which we anticipate to be key aspects for achieving high catalytic activity. To date, it is still a challenge to achieve these goals simultaneously for Brownmillerites. As a result, in this project, several synthesis routes are foreseen. More straightforward synthesis routes, such as citrate- EDTA gel methods and spray pyrolysis, will be investigated alongside with more advanced synthetic approaches such and hard-templating routes. This multitude of possibilities allows for an easy adaption of a synthesis route to the material under study. A major part of the project will be dedicated to the detailed characterization of the materials involving large scale facilities for structure analysis and spectroscopy (in-situ studies), including oxygen isotope exchange reactions to trace the oxygen ion mobility. These studies will allow for a detailed understanding of the materials properties in relation to its catalytic activity. The most promising materials will be synthesized on a pilot-scale using electrofusion. This technique is well-established by the industrial partner and is extremely suitable for the synthesis of reduced powders, such as CaFeO2.5.



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