Vers l’identification d’inhibiteurs de croissance pour la synthèse de cristaux de zéolithes de taille nanométrique

Toward the identification of growth inhibitors for the synthesis of nano-sized zeolite crystals

• Auteur / Autrice : Jérémy Dhainaut
• Direction : Joël Patarin, Toufic Jean Daou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 20/11/2012
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale pluridisciplinaire Jean-Henri Lambert, ED 494 (Mulhouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IFP Energies Nouvelles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles chimiques

Matériaux nanostructurés

Zéolites

Mots clés libres

Zéolithe

Ammoniums quaternaires

FAU

Modélisation moléculaire

Synthèse

Nanocristaux

MFI

Expérimentation à haut-débit

Zeolite

Quaternary ammonium compounds

Molecular modeling

Nanocrystal

High-troughput experiment methodology

Résumé

Les zéolithes sont largement utilisées en catalyse. Un enjeu majeur est d'obtenir des cristaux nanométriques qui offrent des perspectives prometteuses dans la conception de catalyseurs acides plus actifs et plus sélectifs, notamment pour les procédés de conversion des coupes lourdes pétrolières. L'obtention de ces nano-cristaux peut résulter de l'utilisation d'inhibiteurs de croissance. Cette thèse s'est attachée à identifier deux familles de composés organiques limitant la croissance des cristaux. Pour la première, l'inhibition est envisagée par adsorption de composés organiques (polycations, acides aminés...) sur la surface des cristaux en formation. Cette étude a été réalisée en suivant une méthodologie d'expérimentation à haut-débit et a conduit à des cristaux de zéolithe Y (FAU) de 300 nm par l'ajout de L-lysine. La seconde famille est dérivée de l’approche de l’équipe de Ryoo et consiste en l’utilisation de composés bifonctionnels comportant une fonction structurante et une fonction inhibitrice de croissance. Cette étude a démarré par la synthèse de zéolithe MFI. La modélisation moléculaire a permis d'identifier un mono-ammonium alkylé favorisant la formation de nanofeuillets de zéolithe ZSM-5 d'épaisseur voisine de 2 nm. L'étude cinétique a révélé par ailleurs que cette zéolithe est synthétisée à partir d’un polysilicate lamellaire formé in situ. Cette stratégie d'identification, couplée à une méthodologie d'expérimentation à haut débit, a alors été appliquée à la synthèse des zéolithes EMC-1 (FAU) et EMC-2 (EMT), et a conduit à l'élaboration de nouveaux agents structurants et composés bi-fonctionnels.

Zeolites are widely used in catalysis. One of today’s major challenges is to obtain nanometer-sized crystals, offering promising prospects for the design of more active and more selective acid catalysts, in particular for heavy oil conversion processes. Zeolite nanocrystals can be obtained by using growth inhibitors. This thesis focused on the identification of two families of organic compounds limiting the crystals growth. For the first one, the growth inhibition is favored by the adsorption of organic compounds (polycations, amino acids…) on the surface of growing crystals. This study was conducted using a high-throughput experiment methodology and led to zeolite Y (FAU) crystals of 300 nm by the addition of L-lysine. The second family is derived from Ryoo’s team approach and consists of the use of bifunctional compounds including one structure-directing function and one growth-inhibiting function. This study started with the synthesis of MFI zeolite. The molecular modelling allowed identifying an alkyl mono-ammonium directing the formation of 2 nm-thick nanosheets of zeolite ZSM-5. The kinetic study revealed that this zeolite is synthesized from a lamellar polysilicate formed in situ. This identification strategy, coupled to a high-troughput experiment methodology, was applied to the synthesis of zeolites EMC-1 (FAU) and EMC-2 (EMT) and conducted to the elaboration of new structure-directing agents and their bifunctional counterparts.