La conception de catalyseurs SIOC imprimés 3D pour des applications en catalyse hétérogène

The design of 3D printed SiOC catalysts and their application in heterogeneous catalysis reactions

• Auteur / Autrice : Caryn Youssef
• Direction : Damien Voiry, Mirvat Zakhour
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IEM - Institut Européen des Membranes

Mots clés

Mots clés libres

Catalyse hétérogène

Sioc

Impression 3D

Heterogeneous catalysis

SiOC

3D printed

Résumé

Cette recherche présente une nouvelle approche de fabrication additive de céramiques SiOC modifiées au nickel par photopolymérisation en cuve, en se concentrant sur les applications en catalyse hétérogène. Les catalyseurs développés sont spécifiquement conçus pour des procédés tels que l'hydrogénolyse de la lignine, une étape clé de la valorisation de la biomasse. La lignine, un biopolymère complexe et récalcitrant, pose des défis importants pour la conversion de la biomasse en produits chimiques de valeur. Une dépolymérisation efficace de la lignine est cruciale pour la production durable de biocarburants et d'autres produits chimiques de haute valeur. En incorporant du nitrate de nickel dans une résine polysiloxane photoactive, nous avons conçu un matériau compatible avec la photopolymérisation en cuve, permettant un contrôle précis de la géométrie et de la porosité des structures imprimées. Après pyrolyse à 600 °C, le polymère précéramique modifié au nickel se transforme en matrices d'oxycarbure de silicium (SiOC) amorphe contenant des nanoparticules de nickel uniformément dispersées. Ces structures poreuses SiOC/Ni présentent un excellent potentiel pour les applications catalytiques, grâce à leur architecture optimisée, leur grande surface spécifique et leur répartition optimale des sites actifs de nickel. La combinaison unique de techniques d'impression 3D avancées et de céramiques, démontrée dans cette étude, ouvre la voie à la conception de catalyseurs innovants. Ces résultats offrent des perspectives précieuses pour le développement de matériaux pour une catalyse durable et pourraient contribuer à des procédés de conversion de la biomasse plus efficaces.

This research introduces a novel approach to the additive manufacturing of nickel-modified, SiOC ceramics using vat-based photopolymerization, with a focus on applications in heterogeneous catalysis. The developed catalysts are specifically designed for processes such as lignin hydrogenolysis, a key step in biomass valorization. Lignin, a complex and recalcitrant biopolymer, poses significant challenges in the conversion of biomass into valuable chemicals. Efficient depolymerization of lignin is crucial for the sustainable production of biofuels and other high-value chemicals. By incorporating nickel nitrate into a photoactive polysiloxane resin, we engineered a material that is compatible with vat-based photopolymerization, allowing precise control over the geometry and porosity of the printed structures. After pyrolysis at 600 °C, the Ni-modified preceramic polymer transforms into amorphous silicon oxycarbide (SiOC) matrices with uniformly dispersed nickel nanoparticles. These porous SiOC/Ni structures exhibit excellent potential for catalytic applications, due to their optimized architecture, high surface area, and well-distributed active nickel sites. The unique combination of advanced 3D printing techniques and ceramics demonstrated in this study paves the way for innovative catalyst design. The findings offer valuable insights into the development of materials for sustainable catalysis and could contribute to more efficient biomass conversion processes.