Brevet FR2909369A1 — publié le 20080606

PROCÉDÉ DE SYNTHÈSE DE NANOTUBES, NOTAMMENT DE CARBONE ET LEURS UTILISATIONS (Domaine de l'invention) La présente invention a pour objet un procédé de synthèse de nanotubes, notamment de nanotubes de carbone, par dépôt chimique en phase gazeuse mettant en oeuvre un lit fluidisé de catalyseur. Elle a aussi pour objet les nanotubes synthétisés ainsi que leur utilisation pour améliorer les propriétés mécaniques et/ou électriques et/ou thermiques des matériaux notamment lo polymériques. (Etat de la technique et problème technique) Les nanotubes inorganiques ou de carbone sont reconnus aujourd'hui comme des matériaux présentant de grands avantages, du fait de leurs propriétés mécaniques, de leurs rapports de forme (longueur/diamètre) très Is élevés ainsi que de leurs propriétés de conduction électriques et thermiques. Ces nanotubes sont en particulier des nanotubes de carbone, de bore, d'azote, en dichalocogénure métallique MX2 (M = Mo, Nb, Hf, W ; X= S, Se), en oxyde métallique MOX tels que TiO2, ZnO, ..., seuls ou combinés. Les nanotubes à base de bore, d'azote et/ou de carbone se composent de 20 feuillets graphitiques enroulés terminés par des hémisphères constitués de pentagones et d'hexagones de structure proche des fullerènes. On connaît des nanotubes composés d'un seul feuillet : on parle alors de SWNT (acronyme anglais de Single Wall Nanotubes) ou de nanotubes composés de plusieurs feuillets concentriques appelés alors MWNT (acronyme 25 anglais de Multi Wall Nanotubes). La production de nanotubes de bore, azote et/ou carbone peut être mise en oeuvre selon différents procédés comme la décharge électrique, l'ablation laser ou la déposition chimique en phase vapeur (CVD). Pour les nanotubes à base de métaux, on utilise des procédés sol-gel. 30 Parmi ces techniques, la CVD semble être la seule susceptible de pouvoir assurer la fabrication en quantité importante de nanotubes de bore, azote et/ou carbone, condition essentielle pour assurer un prix de revient permettant leur 2909369 2 industrialisation massive dans des matériaux à base de polymères et/ou résines, utilisés dans diverses industries telle que l'automobile, l'électronique, l'optoélectronique, l'aéronautique, la protection thermique ou électrique. Selon cette méthode CVD, on injecte une source de gaz azoté, boré, et/ou 5 carboné à température relativement élevée sur un catalyseur, ledit catalyseur pouvant être constitué d'un métal supporté par un solide inorganique. Parmi les métaux catalytiques, sont cités de manière préférentielle le fer, cobalt, nickel, molybdène et parmi les supports, on retrouve souvent l'alumine, silice ou magnésie ou encore le carbone. lo Les sources de carbone envisageables sont le méthane, l'éthane, l'éthylène, l'acétylène, le benzène, l'éthanol, le méthanol, l'acétone, voire le gaz de synthèse CO + H2 (procédé HIPCO). La source gazeuse de bore est par exemple le borane (B2H6), et la source gazeuse d'azote est notamment la pyridine, l'ammoniac, l'éthylènediamine. 15 Comme état de la technique faisant un point sur les différents types de nanotubes et leur fabrication, on peut se référer à la thèse de doctorat de Marie Castignolles : Etudes de la synthèse et de la structure par microscopie et spectroscopie électroniques de nanotubes de carbone purs et dopés à l'azote. Université Montpellier II, soutenue le 15 juin 2006. 20 On peut citer à titre d'exemple de la méthode CVD, le procédé décrit dans le document WO 86/03455A1 d'Hyperion Catalysis International Inc. La synthèse de nanotubes de carbone (NTC) se fait par mise en contact d'un catalyseur contenant du fer (par exemple Fe3O4, du fer sur un support de charbon, du fer sur un support d'alumine ou du fer sur un support en fibrille carbonée) avec un 25 composé gazeux contenant du carbone (de préférence CO ou hydrocarbure(s)), avantageusement en présence d'un composé capable de réagir avec du carbone pour produire des produits gazeux, (par exemple CO, H2 ou H2O). Les catalyseurs sont préparés par imprégnation à sec, par précipitation ou par imprégnation en voie humide d'un support. 30 Le souhait d'augmenter la productivité pondérale (quantité de nanotubes produits par rapport à la quantité de gaz et de catalyseur utilisée) ou de mieux contrôler la qualité des nanotubes formés a conduit plusieurs auteurs à s'intéresser à des mélanges catalytiques Co/Fe. 2909369 3 On peut ainsi citer l'article : Metal mixtures catalyzed carbon nanotubes , Konya,Z., Nagaraju, N., Fonseca, A., Nagy, J.B., Tamasi, A., Mukhopadhyay, K.M., AIP Conf. Proceedings, (1999), 486, 249-253 qui explique que les mélanges catalytiques Fe/Co sont plus efficaces pour la synthèse de 5 MWNT que Co ou Fe seuls sur les alumines utilisées ; ces alumines ont été préparées à partir d'isopropoxide d'aluminium hydrolysée ou d'alumine commerciale présentant une faible surface spécifique déterminée par la méthode BET. Z. Fonseca et al. dans "Synthesis of SWNT by catalytic decomposition of lo hydrocarbons", Chem. Commun. (1999), 1344-1344, enseignent qu'un mélange catalytique Co-Fe sur silice ou alumine conduit à de meilleurs rendements en NTC que Fe seul et que l'alumine est un meilleur support de catalyseur que la silice. Le contrôle du diamètre des nanotubes est évoqué dans "XPS 15 characterization of catalysts during production of multiwall carbon nanotubes" Konya, Z., Kiss, J., Oszko, A., Siska, A et Kiricsi, I., Physical Chemistry Chemical Physics (2001), 3(1), 155-158. Ainsi, cet article mentionne que les NTC synthétisés à l'aide d'un catalyseur Co/AI2O3 ou Fe/AI2O3 en présence d'acétylène ont un diamètre de 20 à 40 nm tandis qu'ils sont plus fins (de 8 à 20 12nm) si on utilise un catalyseur Fe-Co/ AI2O3. L'article Control of the outer diameter of thin carbon nanotubes synthesized by catalytic decomposition of hydrocarbons", Willems, J., Konya, Z., Colomer, JF., Van tenderloo, G., Nagaraju, N., Fonseca, A., Nagy, J.B., CP 544, Electronic Properties of Novel Materials-Molecular Nanostructures, ed. By 25 Kuzmany et al., (2000), 242-245 montre que le contrôle du diamètre externe des NTC est effectué par le métal. Le but de la présente invention est de fournir un nouveau procédé efficace de fabrication des nanotubes, notamment de carbone, ayant une bonne productivité pondérale et une bonne reproductibilité. Ce procédé facilite, en outre, la 30 purification des nanotubes, si cette étape est nécessaire pour leur application. (Description détaillée de l'invention) 2909369 4 La présente invention a pour objet un procédé de synthèse de nanotubes, notamment de carbone, par décomposition d'une source de gaz, à une température allant de 400 à 1.200 C dans un réacteur, mise en contact avec au moins (un ou plusieurs) un métal de transition multivalent, le ou les métaux de 5 transition étant supportés sur un support de surface spécifique déterminée par la méthode BET supérieure à 50 m2/g. La méthode BET est basée sur l'adsorption multicouche moléculaire, de gaz, à basse température, bien connue de l'homme de l'art. En particulier, la mise en contact des gaz et du catalyseur est effectuée dans lo un lit fluidisé. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, la surface spécifique du support est choisie dans la gamme allant de 70 m2/g à 400 m2/g. Parmi les supports selon l'invention, on utilise en particulier les supports inorganiques, et par exemple un support constitué d'au moins une alumine dont 15 la porosité intraparticulaire est multimodale, telle que déterminée par la méthode de porosimétrie au mercure. Selon un mode particulier de l'invention, le support est une alumine multimodale (présentant 2 ou plus de 2 pics de porosité) dont le volume poreux au mercure total est supérieur à 0,9 cm3/g, et qui présente au moins un pic de 20 porosité dans la gamme allant de 50 à 3000 nm. Selon un mode de réalisation particulier, les supports sont susceptibles d'être imprégnés par une quantité de métal(aux) de transition allant jusqu'à 50% en masse du catalyseur final, et notamment comprise dans une gamme allant de 10 à 50 % en masse du catalyseur final. 25 La taille des particules du support est avantageusement choisie pour permettre une bonne fluidisation du catalyseur lors de la réaction de synthèse des NTC. Dans la pratique, pour assurer une productivité correcte, on préfère que les particules de support aient un diamètre moyen D50 allant de 20 à 500 pm. Selon un mode particulier de mise en oeuvre du procédé de l'invention, le 30 catalyseur est préparé par l'imprégnation des particules de support, notamment sous balayage de gaz sec, avec une solution d'imprégnation contenant au moins un sel de métal(aux) de transition, notamment de fer, et/ou cobalt, et/ou molybdène à une température comprise dans la gamme allant de la température 2909369 5 ambiante à la température d'ébullition de la solution. On choisit la quantité de solution d'imprégnation pour que les particules de support soient, à tout moment, en contact avec une quantité de solution suffisante pour assurer la formation d'un film de la solution d'imprégnation à la surface des particules de support. En 5 particulier, lorsque le métal de transition est le fer, la solution d'imprégnation de fer peut être une solution aqueuse de nitrate de fer. Selon l'invention, le catalyseur est calciné dans un four, avant la synthèse des nanotubes, notamment entre 300 et 750 C en vue de le purifier et par exemple de les dénitrifier. Le fait de travailler à sec , c'est-à-dire en ayant à tout moment juste la quantité de liquide nécessaire pour créer un film liquide en surface des particules de support catalytique permet d'éviter les rejets aqueux (par exemple les rejets aqueux de nitrates lorsque la solution d'imprégnation contient du nitrate de fer ; après imprégnation, le produit obtenu, est chauffé vers 300 C-400 C sous gaz inerte ou non pour éliminer les nitrates). Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le catalyseur est réduit in situ dans le réacteur de synthèse, et le catalyseur ne revoit pas l'air avant la synthèse des nanotubes. Le fer reste ainsi sous forme métallique. Selon l'invention, la source de carbone peut être choisie parmi tout type de matériau carboné tel que le méthane, l'éthane, le propane, le butane ou tout autre alcane aliphatique comprenant un nombre de carbone supérieur à 4, le cyclohexane, l'éthylène, le propylène, le butène, l'isobutène ou tout autre alcène aliphatique comprenant un nombre de carbone supérieur à 4, le benzène, le toluène, le xylène, le cumène, l'éthyl benzène, le naphtalène, le phénanthrène, l'anthracène, l'acétylène ou tout autre alcyne comprenant un nombre de carbone supérieur à 4, le formaldéhyde, l'acétaldéhyde, l'acétone, le méthanol, l'éthanol, le monoxyde de carbone, seuls ou en mélange. Selon l'invention, la source de bore est par exemple le borane (B2H6). Selon l'invention, la source d'azote est par exemple la pyridine, l'ammoniac, 30 l'éthylèned iam ine. La source de gaz et sa composition fixe la composition des nanotubes. Ainsi, une source de carbone permet la fabrication de nanotubes de carbone. 2909369 6 La présente invention a aussi pour objet des nanotubes, notamment de carbone obtenus selon le procédé ci-dessus. Les nanotubes ainsi obtenus sont des nanotubes multiparois présentant un diamètre externe compris dans la gamme allant de 10 à 30 nm. 5 Ces nanotubes peuvent être utilisés comme agents d'amélioration des propriétés mécaniques et/ou de conductivité électrique et/ou thermique, notamment dans des compositions à base de polymères et /ou résines. Ces nanotubes peuvent être utilisés dans de nombreux domaines, notamment en électronique (selon la température d'utilisation et leur structure, ils lo peuvent être conducteurs, semi-conducteurs ou isolants) ; en mécanique, par exemple pour le renfort des matériaux composites par exemple dans le domaine de l'automobile, de l'aéronautique (les NTC sont cent fois plus résistants et six fois plus légers que l'acier) et en électromécanique (ils peuvent s'allonger ou se contracter par injection de charge). On peut par exemple citer l'utilisation de NTC 15 dans des compositions macromoléculaires destinées par exemple à l'emballage de composants électroniques, à la fabrication de conduites de carburant (essence ou diesel) (fuel line), de revêtements (ou coating) antistatiques, dans des thermistors, dans des électrodes pour le secteur de l'énergie notamment des supercapacités, comme agents dispersés en milieu aqueux, comme écran aux 20 ondes électromagnétiques, etc. Grâce au support de catalyse à porosité multimodale, le procédé de purification des nanotubes en vue d'éliminer les résidus de catalyseur, par exemple à l'aide d'une solution acide, est rendu plus facile du fait d'une meilleure accessibilité au support. 25 La présente invention va être maintenant illustrée par des exemples particuliers de réalisation qui vont être décrits ci-après. Il est précisé que ces exemples ne visent en aucun cas à limiter la portée de la présente invention. EXEMPLES : L'appareil utilisé pour réaliser les mesures de surface spécifique BET est l'ASAP 2000 de chez Micromeritics. L'appareil utilisé pour réaliser la mesure de porosimètrie au mercure est l'AUTOPORE 3 à 4000 bars de chez Micromeritics. 2909369 7 - Préparation des catalyseurs : Contre-exemple On prépare un catalyseur à 35% massique de fer par imprégnation de l'alumine Puralox SCCA 5-150 de Sasol selon le protocole suivant : 5 Dans un réacteur de 3 I muni d'une double enveloppe, chauffé à 100 C, on introduit 300 g d'alumine et on balaye à l'air. Au moyen d'une pompe, on injecte alors en continu 1600 ml d'une solution de fer contenant 545 g/I de nitrate de fer nonahydrate. Le ratio visé (masse de métal / masse de catalyseur final) étant de 35 % massique en fer sous forme métallique, la durée d'addition de la solution lo de fer est de 23 h et la vitesse d'ajout de cette solution est égale à la vitesse d'évaporation de l'eau. Le catalyseur est ensuite laissé à 100 C en étuve pendant 16h. Cette alumine a au départ, des grains dont le diamètre médian est égal à environ 85 pm et présente les caractéristiques de surface et porosité indiquées Is ci-dessous : Surface BET (m2/g) 148 Volume poreux total Hg (cm3/g) 0,87 Exemple 1 (Ref 2017 C27) (selon l'invention) 20 On prépare une alumine par atomisation sans micronisation préalable d'une suspension constituée d'eau, d'une alumine calcinée Puralox UF 5/230 de Sasol et d'une pseudoboehmite Dispersai 40 de Sasol. Après calcination pour transformer la pseudoboehmite en alumine gamma, on procède à la préparation du catalyseur comme expliqué dans le contre-exemple. 25 Exemple 2 (Ref : 2017 C01) (selon l'invention) On prépare une alumine par broyage d'une alumine bimodale de la société NORTON fournie sous forme d'extrudats de 5 mm de long ayant une surface BET de 252 m2/g. 30 2909369 8 Exemple 3 (Ref : 2017 C54) (selon l'invention) On prépare une alumine par atomisation avec micronisation préalable d'une suspension constituée d'eau, d'une alumine calcinée Puralox UF 5/230 de Sasol et d'une pseudoboehmite Versai 250 de Eurosupport. Le taux de 5 solide est de 21,3 % massique. Après calcination pour transformer la pseudoboehmite en alumine gamma, on prépare le catalyseur comme expliqué dans le contre-exemple. Exemple 4 (Ref : 2017 C70) (selon l'invention) lo On prépare une alumine par atomisation sans micronisation préalable d'une suspension constituée d'eau, d'une alumine calcinée Puralox UF 5/230 de Sasol et d'une pseudoboehmite Pural 400 de Sasol. Le taux de solide est de 42,5% en masse. Après calcination pour transformer la pseudoboehmite en alumine gamma, on prépare le catalyseur comme expliqué dans le contre- 15 exemple. Exemple 5 (Ref : 2017 C94) (selon l'invention) On prépare une alumine par atomisation sans micronisation préalable d'une suspension constituée d'eau et d'une pseudoboehmite Versai 250 de 20 Sasol. Le taux de solide est de 26% massique. Après calcination pour transformer la pseudoboehmite en alumine gamma, on prépare le catalyseur comme expliqué dans le contre-exemple. Exemple 6 (Ref 2017093) (selon l'invention) 25 On prépare une alumine par atomisation sans micronisation préalable d'une suspension constituée d'eau et d'une pseudoboehmite Versai 250 de Sasol. Le taux de solide est de 15% massique. Après calcination pour transformer la pseudoboehmite en alumine gamma, on prépare le catalyseur comme expliqué dans le contre-exemple. 30 Exemple 7 (Ref : 1870 C161) (selon l'invention) On prépare une alumine par broyage d'une alumine bimodale en extrudats de 1,2 mm de long de la société NORTON. 5 2909369 9 Les principales données sur ces alumines sont données dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1 Volume 1er pic de 2ème pic de Granulométrie Surface poreux Hg porosité porosité D50 Spécifique BET total (cm3/g) (nm) (nm) (Pm) m2/g Puralox 0,87 9 85 148 SCCA 5-150 Contre- exemple Exemple 1 1,19 8 50 105 156,8 2017 C27 Exemple 2 2 8 500 83 252 2017 C01 Exemple 3 1,73 8 200 91 208 2017 C54 Exemple 4 1,23 8 500 96 155 2017 C70 Exemple 5 3,53 8 1500 107 228 2017 C94 Exemple 6 3,27 8 2000 87 249 2017093 Exemple 7 1,05 7 600 254,8 1870 C161 D50 : diamètre moyen apparent de 50% de la population des particules. Exemple 8 (selon l'invention) On prépare une alumine par atomisation sans micronisation préalable d'une lo suspension constituée d'eau et d'une pseudoboehmite Versai 250 de Sasol. Le taux de solide est de 15% massique. Après calcination pour transformer la pseudoboehmite en alumine gamma, on prépare le catalyseur en ajoutant une solution composée d'acétate de cobalt dihydrate et de nitrate de fer, de façon à avoir 35% massique de métal total avec un ratio Co/Fe = 1. 15 - Préparation des nanotubes de carbone : 2909369 10 Exemple 9 (selon l'invention) Les dénitrifications correspondant à une étape de purification des catalyseurs obtenus selon le contre-exemple et les exemples 1 à 8 sont opérées à 350 C dans un four sous courant d'air pendant 2h. On introduit une masse 5 d'environ 2,5 g de catalyseur ainsi dénitrifié, en couche, dans un réacteur de 5 cm de diamètre et 1 m de hauteur efficace, équipé d'un désengagement destiné à éviter l'entraînement de fines particules vers le haut du réacteur. Le réacteur est chauffé pendant environ 30 minutes jusqu'à 650 C, puis on effectue la réduction des catalyseurs sous 25% en volume de H2 et 75% en volume de N2, lo pendant 30 minutes. On remplace alors l'azote par de l'éthylène et on laisse la réaction se faire 1 heure, puis on collecte les nanotubes formés. Dans tous les cas, les débits totaux de N2, H2 + N2 ou C2H2 + H2 sont constants à 160 Nl/min. Après déchargement / collecte des nanotubes formés, on évalue la productivité par la perte au feu des NTC ainsi que la qualité des NTC par 15 microscopie électronique. Les résultats sont réunis dans le tableau 2 ci-dessous : TABLEAU 2 Catalyseur de Productivité Type de NTC formés l'exemple catalyseur Contre exemple 12 MWNT / 0 : 10-30 nm pas d'autres formes de C 3 15 MWNT / O : 10-30 nm pas d'autres formes de C 4 14 MWNT / O : 10-30 nm pas d'autres formes de C 5 16,5 MWNT / O : 10-30 nm pas d'autres formes de C 6 16 MWNT / O : 10-30 nm pas d'autres formes de C 7 11 MWNT / O : 10-30 nm pas d'autres formes de C 8 18,5 MWNT / O : 8-16 nm pas d'autres formes de C MWNT : nanotubes multiparois ; 0 : diamètre des nanotubes 20 Sauf pour le contre-exemple, tous les autres catalyseurs sont des alumines gamma/fer présentant deux pics dans la zone des pores inférieurs à 5 pm. 2909369 11 Il ressort de ce tableau 2 que la meilleure productivité est obtenue avec des catalyseurs ayant une porosité multimodale. On constate en outre dans le tableau 2, que l'association de fer et de cobalt conduit à une meilleure productivité de NTC et à des NTC de taille plus 5 petite. On constate également que la quantité de catalyseur n'a pas d'influence sur la productivité ni sur la reproductibilité des NTC en terme de diamètre et de structure. REVENDICATIONS 1. Procédé de synthèse de nanotubes, notamment de carbone, par décomposition d'une source de gaz mise en contact à une température comprise entre 400 et 1.200 C avec un ou plusieurs métaux de transition multivalents, caractérisé en ce que le ou les métaux de transition sont supportés sur un support de surface spécifique BET supérieure à 50 m2/g. 2. Procédé de synthèse de nanotubes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les métaux de transition sont supportés sur un io support de surface spécifique BET supérieure comprise dans la gamme allant de 70 m2/g à 400 m2/g. 3. Procédé de synthèse de nanotubes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le ou les métaux de transition sont supportés sur un support inorganique. 15 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support est constitué au moins d'une alumine dont la porosité intraparticulaire est multimodale. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support est une alumine dont le volume poreux au mercure est 20 supérieur à 0,9 cm3/g et qui présente au moins un pic de porosité dans la gamme allant de 50 à 3000 nm 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de métal(aux) de transition représente jusqu'à 50% en masse du catalyseur final. 25 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de métal(aux) de transition est comprise dans la gamme allant de 10 à 50 % en masse du catalyseur final. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules du support ont un diamètre moyen compris dans la 30 gamme allant de 20 à 500 pm. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur est préparé par imprégnation des particules du support 2909369 13 avec une solution d'imprégnation contenant au moins un sel de métal(aux) de transition. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit catalyseur est préparé par imprégnation des particules du 5 support à une température comprise dans la gamme allant de la température ambiante à la température d'ébullition de la solution, les particules de support étant à tout moment, en contact avec une quantité de solution d'imprégnation suffisante pour assurer la formation d'un film de la solution d'imprégnation à la surface des particules de support. l0 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur est préparé par imprégnation des particules du support avec une solution d'imprégnation de fer. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur est calciné dans un four avant la synthèse de nanotubes. 15 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, selon laquelle le catalyseur est réduit in-situ et celui-ci ne revoit pas l'air avant la synthèse des nanotubes. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de gaz est une source de carbone. 20 15. Nanotubes susceptibles d'être obtenus selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des précédentes revendications. 16. Utilisation des nanotubes, notamment de carbone obtenus selon l'une quelconques des revendications 1 à 14 comme agents d'amélioration des propriétés mécaniques et/ou de conductivité électrique et/ou thermique, 25 notamment dans des compositions à base de polymères et/ou résines. 17. Utilisation selon la revendication précédente des compositions à base de polymères dans des conduites de carburants, des revêtements antistatiques, ou dans des électrodes pour le secteur de l'énergie. 30