Brevet FR2949075A1 — publié le 20110218

CATALYSEUR Fe/Mo SUPPORTE, SON PROCEDE DE PREPARATION ET UTILISATION POUR LA FABRICATION DE NANOTUBES La présente invention concerne de nouveaux catalyseurs Fe/Mo supportés. Elle concerne également le procédé de préparation de ces catalyseurs et leur utilisation pour la fabrication de nanotubes, notamment de carbone. De nombreux travaux ont porté sur des catalyseurs de type métal de transition supporté, en particulier pour la fabrication de nanotubes de carbone (NTC). Les NTC font l'objet depuis ces dernières années d'une recherche intensive, en vue de remplacer la poudre de noir de carbone pulvérulent et difficile à manipuler dans toutes ses applications. Les NTC présentent en outre l'avantage de conférer des propriétés mécaniques et des propriétés de conduction électrique et/ou thermique améliorées à tout matériau composite les contenant, au moins égales à celles du noir de carbone pulvérulent, à des teneurs plus faibles. Leurs bonnes propriétés mécaniques et notamment de résistance à l'élongation sont liées en partie à leurs rapports de forme (longueur/diamètre) très élevés. Ils se composent d'un ou plusieurs feuillets graphitiques agencés de façon concentrique autour d'un axe longitudinal. Pour des nanotubes composés d'un seul feuillet, on parle de SWNT (acronyme anglais de Single Wall Nanotubes) et pour des nanotubes composés de plusieurs feuillets concentriques, on parle alors de MWNT (acronyme anglais de Multi Wall Nanotubes). Les SWNT sont en général plus difficiles à fabriquer que les MWNT. Les nanotubes de carbone peuvent être fabriqués selon différents procédés comme la décharge électrique, l'ablation laser, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD en 2 abréviation) ou le dépôt physique en phase vapeur (PVD en abréviation). Selon la Demanderesse, le procédé de fabrication des NTC le plus prometteur en termes de qualité des NTC, de reproductibilité des caractéristiques des NTC, et de productivité est le procédé CVD. Ce procédé consiste à injecter une source de gaz riche en carbone, dans un réacteur renfermant un catalyseur métallique porté à haute température. Au contact du métal, la source de gaz se décompose en NTC à plan graphitique et en hydrogène. En général, le catalyseur est constitué d'un métal catalytique tel que le fer, le cobalt, le nickel, supporté par un substrat solide, sous forme de grains, et chimiquement inerte, tel le carbone. Les utilisées l'acétylène que l'alumine, la silice, la magnésie ou encore sources gazeuses de carbone généralement sont le méthane, l'éthane, l'éthylène, ou le benzène. A titre d'exemple de documents décrivant ce procédé CVD, on peut citer le document WO 86/03455 d'Hyperion Catalysis International Inc. que l'on peut considérer comme l'un des brevets de base sur la synthèse des NTC. Ce document décrit des fibrilles de carbone (ancienne dénomination des NTC) quasi cylindriques, dont le diamètre est compris entre 3,5 et 70 nm et dont le rapport de forme est supérieur ou égal à 100, ainsi que leur procédé de préparation. Les NTC sont synthétisés par mise en contact d'un catalyseur contenant du fer (par exemple Fe3O4r Fe sur un support de charbon, Fe sur un support d'alumine ou Fe sur un support en fibrille carbonée) avec un composé gazeux riche en carbone, tel qu'un hydrocarbure, en présence d'un autre gaz capable de réagir avec le composé gazeux riche en carbone. La synthèse est réalisée à une température choisie 3 dans la gamme allant de 850°C à 1200°C. Le catalyseur est préparé par imprégnation à sec, par précipitation ou par imprégnation en voie humide. D'autres documents décrivent des améliorations de ce procédé, telles que l'utilisation d'un lit fluidisé continu de catalyseur, qui permet de contrôler l'état d'agrégation du catalyseur et des matériaux carbonés formés (voir par exemple WO 02/94713A1 au nom de l'Université de Tsinghua et FR 2 826 646 INPT). De nombreux travaux ont aussi porté sur l'amélioration du catalyseur, notamment par combinaison de différents métaux catalytiques. Ainsi, US 2001/00036549 d'Hyperion Catalysis International Inc. a décrit des catalyseurs bimétalliques supportés de type Fe/Mo et Fe/Cr et a montré qu'un dopage en molybdène de l'ordre de 1 à 2% en masse permettait de doubler la productivité par rapport à un catalyseur monométallique de fer, dans une gamme de températures de 500°C à 1500°C, mais qu'un dopage au-delà de 2,5% faisait chuter la productivité. On peut également citer la demande de brevet US 2008/0003169 qui décrit des catalyseurs de type Fe/Mo/alumine permettant une bonne productivité. Cependant, dans ce cas, le catalyseur n'est pas un catalyseur supporté mais un catalyseur obtenu par co-précipitation, d'une part, d'une solution de sels de fer et de sels de molybdène et, d'autre part, d'une solution de sels d'aluminium. La Demanderesse a proposé dans sa demande de brevet WO 2006/082325 un nouveau type de catalyseur supporté pouvant combiner plusieurs types de métaux. Cependant, ce document se concentre uniquement sur des exemples de catalyseur Fe/alumine. Malgré ces divers développements, il existe toujours un besoin en de nouveaux catalyseurs, qui permettent d'améliorer encore la productivité des réactions de 4 synthèse des NTC, à environ 650 °C, dans lesquelles ils sont utilisés. Les présents inventeurs ont trouvé qu'un catalyseur très particulier de type Fe/Mo supporté sur alumine poreuse, permettait d'obtenir une productivité très élevée à une température de réaction de synthèse des NTC de 620 à 680 °C, la productivité étant calculée de la façon suivante : (gc/gcatalyseur) où gc est la masse de carbone formé et gcatalyseur est la masse de catalyseur mis en oeuvre. L'invention vise ainsi à proposer un matériau catalyseur pour la préparation de nanotubes, notamment de carbone, ledit matériau étant sous forme de particules solides, lesdites particules comprenant un substrat poreux de surface spécifique BET supérieure à 50 m2/g, de préférence comprise entre 70 et 400 m2/g, supportant une couche catalytique d'un mélange de fer et de molybdène, ladite couche catalytique représentant de 30% à 70%, de 20 préférence de 40 à 55% en masse de la masse totale du matériau catalyseur, la teneur en fer étant d'au moins 25%, de préférence de 30% à 40% de la masse totale du matériau catalyseur, et le ratio massique fer/molybdène étant compris entre 11 et 1,5, de préférence entre 5 et 2. Il est entendu, dans la présente description, que par "fer" et "molybdène", il est fait référence à ces métaux à l'état élémentaire, c'est-à-dire à l'état d'oxydation 0, ou à l'état oxydé. On préfère toutefois que ces métaux se trouvent principalement à l'état élémentaire. Le substrat est un substrat inerte chimiquement vis-à-vis du molybdène, du fer et de la source de carbone, dans les conditions opératoires du procédé de synthèse des NTC par la technique CVD ; il représente de 30 % à 70 % en masse de la masse totale du catalyseur. Avantageusement, ce 25 30 substrat peut être inorganique. Il est notamment choisi parmi l'alumine, un charbon actif, la silice, un silicate, la magnésie, l'oxyde de titane, la zircone, une zéolithe, ou encore des fibres de carbone. Selon un mode de 5 réalisation avantageux, le substrat est de l'alumine, notamment de type gamma ou thêta. La porosité du substrat peut être mesurée par l'adsorption d'azote, méthode bien connue de l'homme du métier. La forme macroscopique des particules de substrat, et des particules de matériau catalyseur, peut être globalement sensiblement sphérique ou non. L'invention s'applique aussi à des grains de forme macroscopique plus ou moins aplatie (flocons, disques...) et/ou allongée (cylindres, bâtonnets, rubans...). Selon l'invention, la forme et la dimension des particules sont adaptées pour permettre la formation d'un lit fluidisé du matériau catalyseur. Dans la pratique, pour assurer une productivité correcte, on préfère que les particules de substrat aient une plus grande dimension comprise entre 20 et 500 pm, de préférence entre 75 et 150 microns, telle que mesurée par granulométrie laser. Par ailleurs, selon une forme d'exécution de l'invention, le matériau catalyseur est sous forme de particules sphériques ayant une répartition granulométrique unimodale, le diamètre équivalent des particules étant compris entre 80 % et 120 % du diamètre moyen des particules du matériau catalyseur. Selon d'autres formes d'exécution, les particules de matériau catalyseur peuvent avoir une répartition granulométrique large ou bimodale, avec un diamètre équivalent allant de 20 à 600%. De façon avantageuse, le matériau catalyseur selon l'invention comprend des particules d'alumine supportant une couche catalytique, les pourcentages massiques des 6 différents constituants étant de 32 pour le fer, 12 pour le molybdène et 56 pour l'alumine, par rapport à la masse totale du matériau catalyseur. L'invention s'étend à un procédé de préparation du matériau catalyseur décrit précédemment, par imprégnation du substrat avec une solution d'imprégnation comprenant un sel de fer et un sel de molybdène. La solution peut être une solution alcoolique ou aqueuse. Le sel de fer peut être un nitrate de fer, et notamment le nitrate de fer nonahydraté. Le sel de molybdène peut être le molybdate d'ammonium, et notamment le molybdate d'ammonium tétrahydraté. De façon avantageuse, la solution d'imprégnation est une solution aqueuse de nitrate de fer nonahydraté et de molybdate d'ammonium tétrahydraté. L'étape d'imprégnation est réalisée de préférence sous balayage de gaz sec, de préférence sous balayage d'air. Elle est effectuée à une température mesurée in situ allant de 100 à 150°C, de préférence d'environ 120°C. Avantageusement, la quantité de solution d'imprégnation, à tout moment, en contact avec le substrat est généralement juste suffisante pour assurer la formation d'un film ou couche à la surface des particules de substrat. Le procédé de préparation du matériau catalytique selon l'invention comprend en outre une étape de séchage à une température allant par exemple de 150 à 250°C, mesurée in situ, avantageusement suivie d'une étape de dénitrification, de préférence sous atmosphère inerte à une température allant de 350 à 450°C, mesurée in situ. Cette étape est destinée à réduire la partie métallique du catalyseur sous forme métal et à l'activation du catalyseur. L'invention s'étend aussi à un matériau catalyseur obtenu par un procédé selon l'invention tel que défini ci-dessus. 7 L'invention s'étend également à un procédé de fabrication de nanoparticules de matériau choisi parmi le silicium, le carbone, le bore, et un mélange de ces éléments, éventuellement associés à l'azote ou dopés à l'azote, caractérisé en ce qu'on utilise au moins un matériau catalyseur selon l'invention. Avantageusement et selon l'invention, il s'agit d'une réaction de fabrication sélective de nanotubes de carbone par décomposition thermique d'une source de carbone gazeuse. Ainsi, l'invention concerne plus particulièrement un procédé de fabrication sélective de nanotubes de carbone par décomposition d'une source de carbone à l'état gazeux, comprenant les étapes suivantes : a) l'introduction, notamment la mise en lit fluidisé, dans un réacteur, d'un matériau catalyseur tel que défini précédemment, b) le chauffage dudit matériau catalyseur à une température allant de 620 à 680°C, de préférence d'environ 650°C ; c) la mise en contact d'une source de carbone (alcane ou alcène), de préférence de l'éthylène, avec le matériau catalyseur de l'étape b), pour former en surface dudit matériau catalyseur des nanotubes de carbone et de l'hydrogène par décomposition catalytique de ladite source de carbone ; d) la récupération des nanotubes de carbone produits en c). La source de carbone est un alcane comme le méthane ou l'éthane ou de préférence un alcène qui peut être choisi dans le groupe comprenant l'éthylène, l'isopropylène, le propylène, le butène, le butadiène, et leurs mélanges. Cette source de carbone peut être d'origine renouvelable comme décrit dans la demande de brevet EP 1 980 530. L'alcène préférablement utilisé est l'éthylène. 8 Avantageusement et selon l'invention, la source de carbone, et de préférence l'éthylène, est mélangée dans l'étape c) à un flux d'hydrogène. Le ratio source de carbone/hydrogène peut dans ce cas être compris entre 90/10 et 60/40, de préférence entre 70/30 et 80/20. De façon avantageuse, on met en oeuvre l'étape c) avec un mélange éthylène/hydrogène dans un ratio de 75/25. Les différentes étapes sont de préférence mises en oeuvre simultanément et en continu dans un même réacteur. En outre, ce procédé peut comprendre d'autres étapes (préliminaires, intermédiaires ou subséquentes), pour autant qu'elles n'affectent pas négativement la production de nanotubes de carbone. Ainsi, avantageusement, le matériau catalyseur est réduit in situ dans ledit réacteur, entre les étapes a) et b). Ainsi, la couche catalytique n'est pas oxydée au moment où le matériau catalyseur est utilisé pour la synthèse des NTC. Si nécessaire, une étape de broyage des nanotubes in situ ou ex situ peut être envisagée, avant ou après l'étape d). Il est aussi possible de prévoir une étape de purification chimique et/ou thermique des nanotubes avant ou après l'étape d). La productivité obtenue avec le procédé de l'invention est particulièrement élevée, puisqu'elle est toujours supérieure à 15, même supérieure à 25. De plus, les nanotubes de carbone formés ont moins tendance à s'agglomérer que dans les procédés décrits dans l'art antérieur. L'invention s'étend aussi aux nanotubes de carbone susceptibles d'être obtenus suivant le procédé décrit précédemment et à leur utilisation dans des matériaux composites pour leur conférer des propriétés de conduction 9 électrique et/ou thermique améliorées et/ou des propriétés mécaniques, notamment de résistance à l'élongation, améliorées. En particulier, les NTC peuvent être utilisés dans des compositions macromoléculaires destinées à l'emballage de composants électroniques ou à la fabrication de conduites d'essence (fuel line) ou de revêtements ou peintures (coating) antistatiques, ou dans des thermistors ou des électrodes pour supercapacités ou encore pour la fabrication de pièces de structure pour les domaines aéronautique, nautique ou automobile. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent à la lecture de la description suivante de ses exemples de réalisation qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est un graphique obtenu à partir des exemples 5 à 7 et représentant la productivité exprimée comme le rapport entre la masse de carbone des NTC et la masse de catalyseur gc/gcatalyseur en fonction de la température, la figure 2 est un graphique obtenu à partir de l'exemple 5 et représentant la productivité en fonction de la teneur en molybdène, la figure 3 est une photographie microscopique représentant des nanotubes obtenus à l'exemple 5. L'invention sera décrite plus en détail par référence aux exemples suivants qui sont donnés à titre purement illustratif et nullement limitatif. EXEMPLES Exemple 1 Préparation d'un catalyseur 32Fel2Mo/Al203 Dans un réacteur de 1L muni d'une double enveloppe chauffé à 120°C, on introduit 100 g d'alumine Puralox� SCCa-5/150 de diamètre médian égal à environ 85 }gym et de surface spécifique 160 m2/g, et on balaie à l'air. Au moyen 10 d'une pompe, on injecte alors en continu 600 mL d'une solution de nitrate de fer et de molybdate d'ammonium contenant 675 g/L de nitrate de fer nonahydraté et 65 g/L de molybdate d'ammonium tétrahydraté. La durée d'addition est fixée à 25h. Le catalyseur est ensuite chauffé in-situ à 220°C sous balayage d'air sec pendant 8 heures puis placé dans un four à moufle à 400°C pendant 8 heures. On obtient un catalyseur à 32% en fer et 12% en molybdène, les pourcentages étant des pourcentages massiques par rapport à la masse de catalyseur. Exemple 2 Préparation d'un catalyseur 32Fe6Mo/Al203 On prépare un catalyseur dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1 mais en ajustant la quantité de molybdate d'ammonium pour obtenir un catalyseur avec 32% en masse de fer et 6% en masse de molybdène. Exemple 3 Préparation d'un catalyseur 32Fe3Mo/Al203 On prépare un catalyseur dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, mais en ajustant la quantité de molybdate d'ammonium pour obtenir un catalyseur avec, en masses, 32% de fer et 3% de molybdène. Exemple 4 (comparatif) Préparation d'un catalyseur 32Fe/Al203 On prépare un catalyseur dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, mais sans ajouter de molybdate d'ammonium et en ajustant la quantité de solution injectée pour obtenir un catalyseur à 32% de fer. Exemple 5 Test catalytique à 650°C Avec chacun des catalyseurs des exemples 1 à 4 ci-dessus, on pratique un test catalytique en mettant une masse d'environ 2,3 g de catalyseur en couche dans un réacteur de 5 cm de diamètre et de 1 m de hauteur efficace. 11 On chauffe à 650°C sous 2,66 L/min d'azote pendant 30 minutes puis on maintient un palier de réduction pendant 30 minutes sous 2 L/min d'azote et 0,66 L/min d'hydrogène. Une fois ce palier terminé, on introduit un débit d'éthylène de 2 L/min et de 0,66 L/min d'hydrogène. Après 60 minutes, on arrête le chauffage et on refroidit le réacteur sous un courant d'azote de 2,66 L/min. La quantité de produit formé est évaluée en calculant la masse restante après une calcination d'environ 2 g du composite à 800°C pendant 6 heures. Parallèlement, une estimation de la qualité des nanotubes est faite par microscopie. Les résultats sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous . TABLEAU 1 Catalyseur de Productivité Activité l'exemple (gC CJcatalyseur ) (gc/gMetal/h) 1 :32Fel2Mo/Al203 31 70, 5 2 :32Fe6Mo/Al203 24 63,2 3 :32Fe3Mo/Al203 21 60 4 :32Fe/Al203 15 46, 9 La productivité des catalyseurs selon l'invention est améliorée par rapport au catalyseur de l'art antérieur. Un enrichissement en molybdène permet d'améliorer la productivité et l'activité, ce qu'illustre la figure 2. Sur la figure 3, on voit que les NTC formés présentent une longueur importante et qu'il n'y a pas d'agrégation des grains de catalyseur. Exemple 6 Test catalytique à 700 °C Avec le catalyseur de l'exemple 1, on pratique un test catalytique comme dans l'exemple 5, mais à une température de 700°C. 20 25 10 15 Exemple 7 Test catalytique à 600 °C Avec le catalyseur de l'exemple 1, on pratique un test catalytique comme dans l'exemple 5, mais à une 5 température de 600°C. Les résultats obtenus aux exemples 6 et 7, sont présentés dans le tableau 2 ci-après et sur la figure 1. TABLEAU 2 Température (°C) Productivité (gc/gcatalyseur) 650 (exemple 5) 31 700 (exemple 6) 15 600 (exemple 7) 14 La productivité des catalyseurs selon l'invention est dépendante de la température de réaction et est maximale à 650°C, comme illustré également à la figure 1. Les nanotubes obtenus peuvent alors être introduits dans une matrice polymérique afin de réaliser des matériaux composites à propriétés mécaniques et/ou thermiques et/ou conductrices améliorées. REVENDICATIONS1. Matériau catalyseur pour la préparation de nanotubes, notamment de carbone, ledit matériau étant sous forme de particules solides, lesdites particules comprenant un substrat poreux de surface spécifique BET supérieure à 50 m2/g, de préférence comprise entre 70 et 400 m2/g, supportant une couche catalytique d'un mélange de fer et de molybdène, ladite couche catalytique représentant de 30% à 70%, de préférence de 40 à 55% en masse de la masse totale du matériau catalyseur, la teneur en fer étant d'au moins 25%, de préférence de 30% à 40% en masse de la masse totale du matériau catalyseur, et le ratio massique fer/molybdène étant compris entre 11 et 1,5, de préférence entre 5 et2. 2. Matériau catalyseur selon la revendication 1 dans lequel le substrat est choisi parmi l'alumine, un charbon actif, la silice, un silicate, la magnésie, l'oxyde de titane, la zircone, une zéolithe ou des fibres de carbone, de préférence le substrat est de l'alumine. 3. Matériau catalyseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les particules de substrat ont une plus grande dimension comprise entre 20 et 500 microns, de préférence entre 75 et 150 microns. 4. Matériau catalyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le substrat est en alumine et que les pourcentages massiques des différents constituants sont de 32 pour le fer, 12 pour le molybdène et 56 pour l'alumine, par rapport à la masse totale de matériau catalyseur. 5. Procédé de préparation du matériau catalyseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, par imprégnation du substrat avec une solution d'imprégnation de sel de fer et de sel de molybdène, de préférence de nitrate de fer et 14 molybdate d'ammonium, ladite imprégnation étant de préférence réalisée sous balayage de gaz sec. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'imprégnation s'effectue à une température, mesurée en situ, allant de 100 à 150°C, de préférence à environ 120°C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la quantité de solution d'imprégnation, à tout moment, en contact avec le substrat est juste suffisante pour assurer la formation d'un film à la surface des particules de substrat. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, qui comprend en outre une étape de séchage à une température allant de 150 à 250°C, mesurée in situ, éventuellement suivie d'une étape de dénitrification, de préférence sous atmosphère inerte à une température allant de 350 à 450°C, mesurée in situ. 9. Procédé de fabrication de nanotubes de carbone, comprenant les étapes suivantes a) l'introduction, notamment la mise en lit fluidisé, dans un réacteur, d'un matériau catalyseur tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou préparé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, b) le chauffage dudit matériau catalyseur à une température allant de 620 à 680°C, de préférence d'environ 650°C ; c) la mise en contact d'une source de carbone, de préférence de l'éthylène, avec le matériau catalyseur de l'étape b), pour former en surface dudit catalyseur des nanotubes de carbone et de l'hydrogène par décomposition catalytique de ladite source de carbone; d) la récupération des nanotubes de carbone produits en c). 15 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la source de carbone est un alcane tel que le méthane ou l'éthane, un alcène tel que l'éthylène, ou leurs mélanges. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la source de carbone est mélangée dans l'étape c) à un flux d'hydrogène. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le ratio source de carbone/hydrogène est compris entre 90/10 et 60/40, de préférence entre 70/30 et 80/20. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la source de carbone est l'éthylène et le ratio éthylène/hydrogène est de 75/25. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le matériau catalyseur est réduit in situ dans ledit réacteur. 15. Nanotubes de carbone susceptibles d'être obtenus suivant le procédé de l'une quelconque des revendications 9 à 14. 16. Utilisation des nanotubes de carbone selon la revendication 15, dans des matériaux composites pour leur conférer des propriétés de conduction électrique et/ou thermique améliorées et/ou des propriétés mécaniques, notamment de résistance à l'élongation, améliorées. 17. Utilisation des nanotubes de carbone selon la revendication 16, dans des compositions macromoléculaires destinées à l'emballage de composants électroniques ou à la fabrication de conduites d'essence (fuel line) ou de revêtements ou peintures (coating) antistatiques, ou dans des thermistors ou des électrodes pour supercapacités ou encore pour la fabrication de pièces de structure dans les domaines aéronautique, nautique ou automobile.