Brevet FR2967921A1 — publié le 20120601

Procédé de fabrication d'une composition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote et véhicule comprenant une telle composition catalytique. Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de la catalyse pour la réduction des oxydes d'azote en particulier par les hydrocarbures ou les composés oxygénés. L'invention concerne un procédé de fabrication d'une composition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote. L'invention concerne aussi un véhicule comprenant une telle composition catalytique. Arrière-plan technologique Depuis de nombreuses années, les constructeurs de véhicules automobiles à moteur thermique font beaucoup d'efforts pour réduire l'émission dans l'atmosphère de composés chimiques nuisibles à l'environnement produits par les moteurs thermiques lors de la combustion du carburant. Parmi ces composés, on trouve les oxydes d'azote, principalement le monoxyde NO et le dioxyde NO2 d'azote, désignés ensemble sous l'abréviation NOX. La principale technique connue pour éliminer les NOx consiste à réduire sélectivement ces composés. Cette technique est mise en ceuvre au moyen de catalyseurs dits SCR (« Selective Catalytic Reduction »). Deux variantes principales de cette technique ont été proposées : selon la première variante, on utilise l'ammoniac à titre d'agent réducteur (par exemple issu de l'urée) ; et selon la deuxième variante, on utilise les hydrocarbures ou composés oxygénés à titre d'agent réducteur. La première variante présente le risque d'induire des fuites d'ammoniac, et donc d'aggraver les phénomènes de pollution au lieu de les limiter. En outre, la fourniture d'ammoniac dans des applications mobiles reste problématique. Ces inconvénients ne sont pas présents dans le cadre de la deuxième variante. Parmi les compositions catalytiques les plus étudiées pour la réduction catalytique sélective des NOx, les compositions catalytiques à base d'argent supporté par de l'alumine montrent des performances intéressantes en conversion des NOx mais toutefois encore insuffisantes, rendant ces compositions catalytiques non conformes pour des applications sur véhicules DIESEL en regard des futures normes US TIER2 Bin 5 et EURO 6 sur les oxydes d'azotes. De manière connue, dans la synthèse d'une composition catalytique à base d'argent comme phase active sur de l'alumine, le métal, en l'occurrence l'argent, est déposé sur l'oxyde réfractaire qui lui sert de support en réalisant l'imprégnation de ce dernier à partir de solutions aqueuses ou organiques d'un sel ou d'un complexe du métal. La préparation d'une composition catalytique à base d'argent nécessite au moins deux étapes : Au cours d'une première étape, le dépôt d'argent est réalisé en imbibant une poudre réfractaire d'oxyde avec une solution d'un sel inorganique d'argent ou d'un complexe d'argent suivi d'un séchage. Les composés solubles dans l'eau de ce métal incluent l'acétate, le chlorure, et le nitrate. Dans l'étape suivante, la poudre sèche est alors calcinée à une température entre 300°C et 700°C. La calcination peut être conduite sous air ou sous un autre gaz d'oxydation, ou sous un gaz réducteur tel que l'hydrogène si la forme Ag°(désignant l'argent réduit à l'état métallique) est désirée. Même si la préparation d'une composition catalytique supportée par imprégnation est la plus couramment utilisée, le procédé n'en demeure pas moins coûteux car nécessitant des précurseurs métalliques et des solvants, et également long à mettre en ceuvre. En effet cette méthode conventionnelle comporte au moins trois étapes essentielles : l'imprégnation du support par un précurseur métallique (nitrates, carbonates, sulfates...) dissous dans un solvant aqueux ou organique, le séchage du solide imprégné, suivi de la calcination (et d'une activation le cas échéant). De plus l'inconvénient des précurseurs ou sels organiques est leur tendance après calcination à laisser du coke agissant comme un poison de l'activité du catalyseur. Cette méthode de préparation génère aussi des rejets liquides et gazeux. Or le choix du procédé de fabrication d'une composition catalytique est essentiel et doit répondre à un cahier des charges précis. Les trois principales qualités que doit concilier le procédé de fabrication d'une composition catalytique sont d'obtenir une composition catalytique aussi active, sélective et stable que possible, d'être économiquement rentable et être parfaitement reproductible. De plus, de manière générale, l'efficacité de la réduction catalytique des oxydes d'azote à basse température n'est pas encore satisfaisante. En particulier, les catalyseurs actuels ne sont pas conformes pour des applications sur véhicules Diesel, au regard de l'efficacité nécessaire pour respecter la norme américaine Tier II Bin 5 et la norme européenne Euro6. L'élimination des NOX dans le cas des véhicules Diesel ou à mélange pauvre est particulièrement délicate en raison de la présence d'un excès d'oxygène dans les gaz d'échappement. Il existe donc un besoin pour mettre au point, de manière économique une composition catalytique stable et fiable présentant une plus grande fenêtre de fonctionnement, en étant notamment plus efficace à basse température, afin d'éliminer les NOx contenus dans les gaz d'échappement le plus rapidement possible après le démarrage du moteur. Ce besoin est particulièrement important dans le cas des moteurs Diesel ou essence à injection directe essence stratifié (mélange pauvre). L'invention porte ainsi sur un procédé de fabrication d'une composition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote à base d'argent supporté par une alumine caractérisé en ce qu'il comporte le traitement hydrothermal d'un mélange homogène d'alumine et d'oxyde d'argent sous forme de poudre. Ainsi par ce procédé plus facile à mettre en ceuvre que l'art antérieur, on obtient une composition catalytique dont l'efficacité de traitement par réduction sélective des NOX à basse température est améliorée. Dans une variante, le mélange homogène d'alumine et d'oxyde d'argent est obtenu par broyage d'alumine et d'oxyde d'argent. Le broyage a pour effet de favoriser l'homogénéisation et la réduction granulométrique des oxydes. Dans cette variante, préalablement au broyage l'alumine et /ou l'oxyde d'argent sont mélangés sous forme de poudre, afin de gagner du temps de mélange. De préférence le broyage s'effectue sur une durée sensiblement de 1 minute. Concernant le traitement hydrothermal, celui-ci s'effectue à une température supérieure à 500 °C, de préférence comprise entre 650 °C et 750 °C. Avantageusement, le traitement hydrothermal s'effectue aussi avec une durée de traitement à la température supérieure à 0,5 heure, de préférence avec une durée de traitement à la température comprise entre 4 et 24 h. 4 Avantageusement encore, le traitement hydrothermal s'effectue avec une teneur en oxygène supérieure à 0,5%, de préférence comprise entre 10 et 20%. Avantageusement encore, le traitement hydrothermal s'effectue avec de la vapeur d'eau dans l'air, de préférence avec une teneur en vapeur d'eau dans l'air comprise entre 5 et 15%. De préférence, la proportion massique d'oxyde d'argent dans le mélange est comprise 10 entre 0,01% et 10%, la proportion massique de l'alumine, AI203, dans le mélange d'oxydes est donc sensiblement le complément à 100 %. De préférence encore, la proportion massique d'oxyde d'argent dans le mélange est comprise entre 0,01% et 3%, la proportion massique de l'alumine, AI2O3, dans le mélange 15 d'oxydes est donc sensiblement le complément à 100 %. L'invention concerne aussi un véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un moteur diesel ou à essence à injection essence stratifié auquel est connectée une ligne d'échappement comportant un substrat de type céramique ou métallique, une composition catalytique de 20 réduction sélective des oxydes d'azote obtenue selon le procédé de l'invention disposée sur ledit substrat et des moyens d'introduction dans la ligne d'échappement d'un hydrocarbure et/ou d'un composé oxygéné nécessaire à la dite réduction catalytique sélective des oxydes d'azote au niveau de la composition catalytique. 25 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 : comparaison des performances de diverses compositions catalytiques désignées A à H pour la conversion des NOX. La température de la réaction en `C est représentée en abscisses, et le pourcentage de conversion est représenté en ordonnées. Description détaillée 30 35 L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit. Selon l'invention il est montré qu'en soumettant un mélange homogène d'oxyde d'aluminium AI2O3 et d'oxyde d'argent, Ag2O, sous forme de poudre à un traitement hydrothermal ou procédé de préparation appelé « réaction à l'état solide », on aboutit à un composition catalytique dit à base d'argent Ag, supporté par une alumine AI2O3 plus active en termes de début de conversion de NOX et de maximum de conversion qu'une composition catalytique Ag/AI2O3 comparable en termes de proportions massiques et préparée par un procédé d'imprégnation classique. Ainsi, il est proposé de préparer par « réaction à l'état solide » (ou réaction solide-solide) une composition catalytique pour la réduction sélective des oxydes d'azote à base d'argent supporté sur de l'alumine à partir d'un mélange mécanique d'oxydes d'argent, Ag2O ou AgO et d'oxyde d'aluminium AI2O3. On désigne ici par « supporté » le fait que les espèces argent sont dispersées sur de l'alumine. On désigne ici par « à base d'argent» le fait que l'argent est essentiellement le seul métal dispersé sur l'alumine. Pour obtenir cette composition catalytique à base d'argent supporté sur de l'alumine, le mélange d'oxyde d'argent et d'alumine sous forme de poudre est chauffé dans un gaz oxydant contenant de la vapeur d'eau à haute température. Après ce traitement hydrothermal, on obtient un solide avec de l'argent déposé sur la surface du support alumine où l'argent est essentiellement sous forme d'oxyde. Cette déposition est démontrée par diffraction des rayons X. Les tests catalytiques présentés dans la suite de ce mémoire montrent que l'activité d'une composition catalytique préparée par mélange mécanique est supérieure en termes de conversion des NOx par rapport à une composition catalytique de composition identique préparée par imprégnation classique. En pratique, pour obtenir le mélange homogène d'oxyde d'argent et d'alumine on peut tout simplement mélanger de l'oxyde d'aluminium, AI2O3, avec de l'oxyde d'argent Ag2O, les deux oxydes étant sous forme de poudre. Un mélange le plus homogène possible est souhaitable afin d'obtenir une répartition uniforme des oxydes dans le mélange. Avantageusement, on peut ensuite procéder à un broyage par exemple manuellement dans un mortier ou encore par tout autre moyen apte à réduire un solide en poudre tel qu'un broyeur mécanique. Le broyage du mélange permet d'améliorer l'homogénéisation de l'oxyde d'argent avec l'alumine et d'en réduire la granulométrie. Ce mélange est ensuite introduit dans un réacteur à lit fixe en quartz pour effectuer le traitement hydrothermal qui correspond à l'étape de préparation proprement dite (ou réaction solide-solide). Dans une variante, le mélange homogène d'oxyde d'argent et d'alumine pourrait être obtenu par broyage direct d'alumine et/ ou d'oxyde d'argent ne se présentant pas sous forme de poudre, mais par exemple sous forme de granulats ou tout autre conditionnement. Dans ce cas le broyage permet à la fois la réduction en poudre des deux oxydes et l'homogénéisation. Avantageusement le broyage peut être un cobroyage, c'est-à-dire un broyage simultané des deux oxydes ensemble. Ce traitement hydrothermal ou étape de préparation est ensuite effectué à une température supérieure à 500°C, de préférence comprise entre 650°C et 750°C, avec une teneur en vapeur d'eau dans l'air non nulle, de préférence comprise entre 5 et 150/0 et avec une teneur en oxygène supérieure à 0,50/0 de préférence comprise entre 10 et 200/0, et d'une durée de traitement hydrothermal à la température supérieure à 0,5 heure et de préférence comprise entre 4 et 24 h. La combinaison, pour le traitement hydrothermal d'une température comprise entre 650°C et 750°C, avec une teneur en vapeur d'eau comprise entre 5 et 150/0, une teneur en oxygène comprise entre 10 et 200/0 et une durée de traitement hydrothermal à la température comprise entre 4 et 24 h est particulièrement avantageuse. Les conditions expérimentales du procédé de l'invention apparaissent être particulièrement adaptées pour la réalisation d'une composition catalytique obtenues à partir de mélanges d'oxyde d'argent Ag2O et d'oxyde d'aluminium AI2O3 avec une proportion massique d'oxyde d'argent Ag2O, dans le mélange d'oxydes comprise entre 0,010/0 et 100/0, de préférence entre 0,05 et 50/0. Toutefois, on estime que les meilleurs résultats sont obtenus avec une proportion massique comprise entre 0,1 et 30/0. La proportion massique de l'alumine, AI2O3i dans le mélange d'oxydes est donc sensiblement le complément à 100 % aux traces d'impuretés près. Cette alumine peut bien sûr contenir des éléments de transition stabilisants comme de l'oxyde de titane, oxyde de niobium... ). La composition catalytique selon l'invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la technique. Il permet notamment de convertir plus efficacement les NOX à basse température, et ainsi d'éliminer ces composés plus rapidement après le démarrage du moteur. La composition catalytique peut être disposée en couche sur un substrat, c'est-à-dire une 5 structure ou support physique ou monolithe comprenant un certain nombre de passages d'écoulement pour les gaz à traiter pour former un dispositif de conversion catalytique. La composition catalytique peut être déposée sur le substrat du dispositif de conversion catalytique par un procédé d'enduction. Le substrat peut être un substrat céramique comme du titanate d'aluminium qui présente une très bonne tenue thermique, mais d'autres supports sont envisageables comme par exemple de la cordiérite ou de la mullite. Egalement, le substrat peut être métallique. 15 La composition catalytique ci-dessus est particulièrement appropriée dans le cadre d'une réaction de réduction catalytique sélective des oxydes d'azote par des hydrocarbures et / ou des composés oxygénés. Dans le cadre de la présente demande, le terme de «composés oxygénés» désigne l'ensemble des composés hydrocarbonés partiellement oxydés, et en particulier les alcools, aldéhydes ou cétones. 20 La réaction de réduction sélective des NOx peut être effectuée par simple mise en contact d'un flux réactionnel, contenant les NOx ainsi que les hydrocarbures et / ou les composés oxygénés, avec la composition catalytique de l'invention, et ce à une température de réaction de préférence comprise entre 200 et 500°C. 25 Le dispositif de conversion catalytique trouve particulièrement à s'appliquer dans le cadre du traitement des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. L'application aux gaz d'échappement d'un véhicule doté d'un moteur Diesel ou d'un moteur à essence à injection directe stratifié, c'est-à-dire avec mode de fonctionnement pour lequel l'injection 30 d'essence est réalisée durant la phase de compression moteur, est tout particulièrement avantageuse. Le véhicule comprend alors une ligne d'échappement reliée au moteur, des moyens d'introduction dans la ligne d'échappement d'un hydrocarbure et/ou d'un composé oxygéné nécessaire à la dite réduction catalytique sélective des oxydes d'azote, un dispositif de conversion catalytique comprenant la composition catalytique fabriquée 35 par le procédé de l'invention. Les moyens d'introduction sont disposés dans la ligne d'échappement, en amont du dispositif de conversion catalytique, de manière que l'hydrocarbure et/ou le composé oxygéné introduit puisse se mélanger uniformément avec 10 les gaz d'échappement produit par le moteur et que la réduction sélective des oxydes d'azote contenus dans les gaz d'échappement puisse s'effectuer correctement au niveau de la composition catalytique. EXEMPLES Exemple 1 : Composition catalytique A selon l'état de la technique. Une composition catalytique A selon l'état de la technique a été synthétisée en suivant l'enseignement du document US 2008/0069741 au nom de BASF. 10 Après calcination à 550°C, la composition catalytique A était de 20/0 d'argent, sous forme d'oxyde d'argent Ag2O, sur un support d'alumine, AI2O3. La composition catalytique est ensuite déposée sur un monolithe en cordiérite de 400 cpsi (désignant le nombre de canaux par pouce carré, soit 62 canaux par cm2). 15 Exemple 2 : Composition catalytique B Une composition catalytique B composée d'une phase active de Ag2O à 2,7% en poids et d'alumine AI2O3 en masse complémentaire (soit 97,30/0) a été préparé sur la base d'une méthode de préparation dite par réaction à l'état solide (ou solid state reaction) selon le 20 processus opératoire suivant : 1,033 g de l'alumine gamma (produit par exemple disponible au catalogue de la marque commerciale STREM de référence n° 13-2525) est ajouté dans un mortier à 0,0283 g d'oxyde d'argent, Ag2O. L'homogénéisation de ce mélange est réalisée par broyage 25 mécanique manuel pendant une minute. Le mélange résultant est placé dans un réacteur dynamique à lit fixe en quartz. Le mélange est chauffé à 450°C avec une rampe de 6°C/minute sous un flux d'air de 3 litres/heure contenant 200/0 en volume d'oxygène et 100/0 en volume de vapeur d'eau pendant 16 heures. 30 Exemple 3 : Composition catalytique C Cet exemple diffère de la synthèse décrite à l'exemple 2 en ce que, suite au broyage mécanique, on procède à une étape de traitement hydrothermal en chauffant le mélange à 550°C sous un flux d'air de 3 litres/heure contenant 200/0 en volume d'oxygène et 100/0 en volume de vapeur d'eau pendant 16 heures. 35 Exemple 4 : Composition catalytique D5 Cet exemple diffère de la synthèse décrite à l'exemple 2 en ce que, suite au broyage mécanique, on procède à une étape de traitement hydrothermal en chauffant le mélange à 750°C pendant 16 heures sous un flux d'air de 3 litres/heure contenant 200/0 en volume d'oxygène et dépourvu de toute trace de vapeur d'eau. Exemple 5 : Composition catalytique E Cet exemple diffère de la synthèse décrite à l'exemple 2 en ce que, suite au broyage mécanique, on procède à une étape de traitement hydrothermal en chauffant le mélange à 600°C sous un flux d'air de 3 litres/heure contenant 20% en volume d'oxygène et 100/0 en volume de vapeur d'eau pendant 16 heures. Exemple 6 : Composition catalytique F Cet exemple diffère de la synthèse décrite à l'exemple 2 en ce que, suite au broyage mécanique, on procède à une étape de traitement hydrothermal en chauffant le mélange à 665°C sous un flux d'air de 3 litres/heure contenant 200/0 en volume d'oxygène et 100/0 en volume de vapeur d'eau pendant 16 heures. Exemple 7 : Composition catalytique G Cet exemple diffère de la synthèse décrite à l'exemple 2 en ce que, suite au broyage mécanique, on procède à une étape de traitement hydrothermal en chauffant le mélange à 705°C sous un flux d'air de 3 litres/heure contenant 200/0 en volume d'oxygène et 100/0 en volume de vapeur d'eau pendant 16 heures. Exemple 8 : Composition catalytique H Cet exemple diffère de la synthèse décrite à l'exemple 2 en ce que, suite au broyage mécanique, on procède à une étape de traitement hydrothermal en chauffant le mélange à 750°C sous un flux d'air de 3 litres/heure contenant 200/0 en volume d'oxygène et 100/0 en volume de vapeur d'eau pendant 16 heures. Evaluation des compositions catalytiques Les différentes compositions catalytiques ont été évalués dans un réacteur à lit fixe traversé placé dans un four thermo-régulé. Les effluents sortant du réacteur sont suivis en continu par différentes méthodes d'analyses :35 Les concentrations de NO, NO2i n-décane sont suivis par spectrométrie de masse. Les concentrations de N2, N2O, CO, CO2 sont suivis par micro-chromatographie en phase gazeuse. Les différentes formulations ont été testées en programmation de température entre 200 et 540°C, avec une VVH de 150 000 h-', et le mélange réactionnel suivant : - NO : 400 ppm - n-décane : 200 ppm (C1/NO = 5) -02 :8% - H2O : 2,5 0/0 Performances en réduction des oxydes d'azotes des compositions catalytiques Les performances comparées en réduction des oxydes d'azotes des compositions catalytiques A, B, C, D, E, F, G et H décrits dans les exemples 1 à 8 sont présentées en figure 1. Pour le catalyseur A calciné de l'art antérieur on observe un début de conversion de NO vers 330°C avec un optimum à 320/0 de conversion comme le montre la figure 1. Pour le catalyseur B un début de conversion de NO est observé vers 260°C pour atteindre un maximum de 210/0 à 511°C. Pour les catalyseurs C et D, un début de conversion de NO est observé dès 240°C pour 25 atteindre un maximum respectivement de 260/0 et 330/0. Pour le catalyseur E calciné à 750°C en absence d'eau l'activité obtenue est équivalente à celle du catalyseur B. 30 Les catalyseurs F et G permettent d'obtenir un domaine d'activité de conversion de NO élargi dès les basses températures avec un début de conversion de NO à 240°C pour atteindre un optimum compris entre 380/0 et 440/0. Pour le catalyseur H un début de conversion de NO est observé vers 240°C pour 35 atteindre un maximum de 370/0 à 430°C. Ces différents exemples démontrent que lors de la préparation du catalyseur :20 -il est nécessaire d'avoir une fenêtre de température pour la calcination comprise entre 665°C et 705°C pour avoir un maximum d'activité ; -la présence d'eau est indispensable lors de la calcination pour obtenir un catalyseur d'argent supporté sur alumine, actif pour la conversion de NO. Le procédé de fabrication de composition catalytique selon l'invention présente de multiples avantages, tels que sa simplicité et sa rapidité de mise en ceuvre en vue du traitement hydrothermal , réalisable notamment à l'échelle industrielle. Puisque la réaction solide-solide est réalisée en absence de solvants elle est également respectueuse de l'environnement et ne génère qu'un faible coût (pas de précurseurs métalliques). REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une composition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote à base d'argent supporté par une alumine caractérisé en ce qu'il comporte le traitement hydrothermal d'un mélange homogène d'alumine et d'oxyde d'argent sous forme de poudre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange homogène d'alumine et d'oxyde d'argent est obtenu par broyage d'alumine et d'oxyde d'argent. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que préalablement au broyage l'alumine et /ou l'oxyde d'argent sont mélangés sous forme de poudre. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le broyage mécanique s'effectue sur une durée sensiblement de 1 minute. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement hydrothermal s'effectue à une température supérieure à 500°C, de préférence comprise entre 650 °C et 750 °C. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement hydrothermal s'effectue avec une durée de traitement à la température supérieure à 0,5 heure, de préférence avec une durée de traitement à la température comprise entre 4 et 24 h. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement hydrothermal s'effectue avec une teneur en oxygène supérieure à 0,50/0, de préférence comprise entre 10 et 200/0. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement hydrothermal s'effectue avec de la vapeur d'eau dans l'air, de préférence avec une teneur en vapeur d'eau dans l'air comprise entre 5 et 150/0. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la proportion massique d'oxyde d'argent dans le mélange est comprise entre 0,010/0 et 100/0, la proportion massique de l'alumine, AI2O3i dans le mélange d'oxydes est donc sensiblement le complément à 100 %. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la proportion massique d'oxyde d'argent dans le mélange est comprise entre 0,010/0 et 30/0, la proportion massique de l'alumine, AI2O3, dans le mélange d'oxydes est donc sensiblement le complément à 100 %. 11. Véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un moteur diesel ou à essence à injection essence stratifié auquel est connectée une ligne d'échappement comportant un substrat de type céramique ou métallique, une composition catalytique de réduction sélective des oxydes d'azote obtenue selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 10 disposée sur ledit substrat et des moyens d'introduction dans la ligne d'échappement d'un hydrocarbure et/ou d'un composé oxygéné nécessaire à la dite réduction catalytique sélective des oxydes d'azote au niveau de la composition catalytique.