Brevet FR3081340A1 — publié le 20191129

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention a pour objet un procédé de préparation d'un catalyseur à base d'un mélange intime d'une zéolithe de type structural AFX et d'une zéolithe de type structural BEA, et d'au moins un métal de transition, le catalyseur préparé ou susceptible d'être préparé par le procédé, et son utilisation pour la réduction sélective catalytique des NOx en présence d'un réducteur, en particulier sur les moteurs à combustion interne. ART ANTÉRIEUR Les émissions d'oxydes d'azote (NOx) qui résultent de la combustion de combustibles fossiles sont une préoccupation majeure pour la société. Des normes de plus en plus sévères sont mises en place par les instances gouvernementales afin de limiter l'impact des émissions issues de la combustion sur l'environnement et sur la santé. Pour les véhicules légers en Europe dans le cadre de la réglementation Euro 6c, les émissions de NOx et de particules doivent atteindre un niveau très bas pour l'ensemble des conditions de fonctionnement. Le nouveau cycle de conduite WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle) et la réglementation des émissions en conduite réelle (RDE) associée aux facteurs de conformité, exige le développement d'un système de dépollution hautement efficaces pour atteindre ces objectifs. La réduction catalytique sélective, désignée par l'acronyme anglo-saxon « SCR » pour « Selective Catalytic Reduction », apparait comme une technologie efficace pour éliminer les oxydes d'azote dans les gaz d'échappement riches en oxygène, typiques des moteur Diesel et à allumage commandé en mélange pauvre. La réduction catalytique sélective est réalisé grâce à un réducteur, généralement l'ammoniac, et peut ainsi être désignée par NH3-SCR. L'ammoniac (NH3) impliqué dans le processus SCR est généralement généré via la décomposition d'une la solution aqueuse d'urée (AdBlue ou DEF), et produit N2 et H20 lors de la réaction avec NOx. Les zéolithes échangées avec des métaux de transitions sont notamment utilisées comme catalyseurs pour les applications NH3-SCR, dans les transports. Les 2 zéolithes à petit pores, en particulier les chabazites échangées au cuivre, sont particulièrement adaptées. Elles existent commercialement sous la forme silicoaluminophosphate Cu-SAPO-34 et aluminosilicates Cu-SSZ-13 (ou Cu-SSZ-62). Leur tenue hydrothermale et leur efficacité de conversion des NOx en font les 5 références actuelles. Cependant, les normes étant de plus en plus contraignantes, les performances des catalyseurs doivent encore être améliorées. L'utilisation des zéolithes de type structural AFX pour les applications NH3-SCR est connue, mais peu de travaux évaluent l'efficacité de catalyseurs mettant en oeuvre cette zéolithe. 10 Fickel et al. (Fickel, D. W., & Lobo, R. F. (2009), The Journal of Physical Chemistry C, 114(3), 1633-1640) étudie l'utilisation d'une SSZ-16 (type structural AFX) échangée au cuivre pour l'élimination des NOx. Cette zéolithe est synthétisée conformément au brevet US 5,194,235, dans lequel le cuivre est introduit par échange en utilisant du sulfate de cuivre(II) à 80°C pendant 1h. Des résultats récents 15 (Fickel, D. W., D'Addio, E., Lauterbach, J. A., & Lobo, R. F. (2011), 102(3), 441-448) montrent une excellente conversion et une bonne tenue hydrothermale pour un chargement à 3,78% poids en cuivre. Des travaux sur la synthèse de zéolithes de type structural AFX ont été effectués avec différents agents structuraux (Lobo, R. F., Zones, S. I., & Medrud, R. C. (1996), 20 Chemistry of materials, 8(10), 2409-2411) ainsi que des travaux d'optimisation de la synthèse (Hrabanek, P., Zikanova, A., Supinkova, T., Drahokoupil, J., Fila, V., Lhotka, M., Bernauer, B. (2016), Microporous and Mesoporous Materials, 228, 107115). Wang et al. (Wang, D. et al., CrystEngComm., (2016), 18(6), 1000-1008) ont étudié 25 le remplacement de l'agent structurant TMHD par un mélange TEA-TMA pour la formation de SAPO-56 et obtiennent des phases non désirées SAPO-34 et SAPO-20. L'incorporation de métaux de transition n'est pas abordée. La demande US 2016/0137518 décrit une zéolithe AFX quasi-pure, sa synthèse à partir de sources de silice et d'alumine en présence d'un agent structurant de 3 type 1,3-Bis(1-adamantyl)imidazolium hydroxide, la préparation d'un catalyseur à base de la zéolithe AFX échangée avec un métal de transition et son utilisation pour des applications NH3-SCR. Aucune forme particulière de zéolithe AFX n'est évoquée. Plus récemment, la demande US 2018/0093259 présente la synthèse de zéolithes à 5 petits pores, comme la zéolithe de type structural AFX, à partir de zéolithe de type FAU en présence d'un structurant, comme le 1,3-bis(1-adamantyl)imidazolium hydroxide et d'une source de métal alcalino-terreux. Elle présente également des applications de la zéolithe de type structural AFX obtenue, en particulier l'utilisation de cette zéolithe comme catalyseur de la réduction de NOx, après échange avec un 10 métal comme le fer. Parallèlement, la demande US 2016/0096169A1 présente l'utilisation dans la conversion des NOx, d'un catalyseur à base d'une zéolithe de type structural AFX ayant un rapport Si/AI de 15 à 50 échangée avec un métal, la zéolithe AFX étant obtenue à partir d'un agent structurant de type 1,3-Bis(1- adamantyl)imidazolium hydroxide. Les résultats obtenus, dans la conversion des 15 NOx, montrent en particulier une sélectivité des catalyseurs préparés selon les demandes US 2018/0093259 et US 2016/0096169 vers le protoxyde d'azote ne dépassant pas 20 ppm. Le document JP 2014-148441 décrit la synthèse d'un solide apparenté à une zéolithe AFX, en particulier d'une SAPO-56 comprenant du cuivre utilisable pour la 20 réduction des NON. Le solide est synthétisé, puis ajouté à un mélange comprenant un alcool et un sel de cuivre, le tout étant calciné. Le cuivre est donc ajouté après la formation du solide SAPO apparenté à la zéolithe de type structural AFX. Ce solide échangé semble présenter une résistance accrue à la présence d'eau. Ogura et al. (Bull. Chem. Soc. Jpn. 2018, 91, 355-361) montrent la très bonne 25 activité d'une zéolithe de type SSZ-16 échangée au cuivre par rapport à d'autres structures zéolithiques et ce même après vieillissement hydrothermal. WO 2017/080722 présente une synthèse directe d'une zéolithe comprenant du cuivre. Cette synthèse impose de partir d'une zéolithe de type structural FAU et d'utiliser un agent complexant TEPA et un élément M(OH) N pour aboutir à différents 4 types de zéolithes, principalement de type CHA. Des zéolithes de type ANA, ABW, PHI et GME sont également produites. La demanderesse a découvert qu'un catalyseur à base d'un mélange intime d'une zéolithe de type structural AFX et d'une zéolithe de type structural BEA, préparé 5 selon un mode de synthèse particulier et d'au moins un métal de transition, en particulier du cuivre, présentait des performances intéressantes de conversion des NO x et de sélectivité vers N20. Les performances de conversion des NOx, en particulier à basse température (T REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d'un catalyseur comprenant un mélange de zéolithes de type structural AFX et de type structural BEA, et au moins un métal de transition, comprenant au moins les étapes suivantes : i) le mélange en milieu aqueux, d'une zéolithe FAU ayant un rapport molaire Si02/A1203 compris entre 30 et 100 avec au moins une zéolithe de type structural FAU ayant un ratio molaire S102/A1203 compris entre 2 et 30 (borne supérieure exclue), et où le paramètre mathématique, Pze, correspondant au pourcentage massique de la zéolithe FAU de rapport molaire Si02/A1203 compris entre 30 et 100, sous sa forme anhydre (exprimé en %) dans le mélange de zéolithes FAU, multiplié par le rapport molaire Si02/A1203 de ladite même zéolithe FAU de rapport molaire Si02/A1203 compris entre 30 et 100, est tel que : 3250 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les étapes iii) et iv) sont interverties, et éventuellement répétées. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape iii) est réalisée par mise en contact du solide avec une solution comprenant au moins une espèce, 20 de préférence une seule espèce, apte à libérer un métal de transition ou par mise en contact successive du solide avec différentes solutions comprenant chacune au moins une, de préférence une seule, espèce apte à libérer un métal de transition, les différentes solutions comprenant avantageusement des espèces aptes à libérer un métal de transition différentes. 25 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le métal de transition libéré dans la solution de l'étape iii) est sélectionné dans le groupe formé des éléments suivants : Ti, V, Mn, Mo, Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Nb, Ce, Zr, Rh, Pd, Pt, Au, W, Ag, le métal de transition étant de préférence Fe, Cu, Nb, Ce ou Mn' préférentiellement Fe ou Cu et de façon encore plus préférée Cu. 34 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la teneur en métal de transition est comprise entre 0,5 à 6% massique, de préférence entre 0,5 et 5% massique, et de façon encore plus préférée entre 1 et 4% massique, par rapport à la masse totale du catalyseur final, sous sa forme anhydre, la quantité de 5 cuivre du matériau composite dudit catalyseur étant prise en compte. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le catalyseur ne contient que du cuivre comme métal de transition, à une teneur massique comprise entre 0,5 et 6%, de préférence entre 0,5 et 5%, préférablement entre 1 et 4% et de manière plus préférée encore entre 1,5 et 3,5% par rapport à la 10 masse totale du catalyseur final sous sa forme anhydre. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le catalyseur comprend du cuivre et un autre métal de transition, de préférence, Fe, Nb, Ce, Mn, la teneur en cuivre du catalyseur obtenu se situe entre 0,05 et 2% massique, de préférence 0,5 et 2% massique alors que celle de l'autre métal de 15 transition se situe préférablement entre 1 et 4% massique, les teneurs en métaux de transition étant données en pourcentage massiques par rapport à la masse totale du catalyseur final sous sa forme anhydre. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le catalyseur ne contient que du fer comme métal de transition, à une teneur massique comprise 20 entre 0,5 et 5%, préférablement entre 1 et 4% et de manière plus préférée encore entre 1,5 et 3,5% par rapport à la masse totale du catalyseur final sous sa forme anhydre. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le catalyseur comprend du fer et un autre métal de transition, de préférence Cu, Nb, Ce, Mn, 25 la teneur en fer du catalyseur obtenu se situe entre 0,05 et 2% massique, de préférence entre 0,5 et 2% massique alors que celle de l'autre métal de transition se situe préférablement entre 1 et 4% massique, les teneurs en métaux de transition étant données en pourcentage massiques par rapport à la masse totale du catalyseur final sous sa forme anhydre. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, pour lequel le composé organique azoté R est le dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le traitement hydrothermal de l'étape ii) est réalisé à une température comprise entre 120°C 5 et 220°C, de préférence entre 150°C et 195°C, pendant une durée comprise entre 12 heures et 15 jours, de préférence entre 12 heures et 12 jours, et de manière plus préférée entre 12 heures et 8 jours, et de préférence sous pression autogène. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, pour lequel l'étape iv) de 10 traitement thermique comprend un séchage du solide à une température comprise entre 20 et 150°C, de préférence entre 60 et 100°C, pendant une durée compris entre 2 et 24 heures, suivi d'une calcination, correspondant à un traitement par combustion sous air éventuellement sec, à une température comprise entre 450 et 700°C, préférentiellement entre 500 et 600°C pendant une 15 durée comprise entre 5 et 10 heures, préférentiellement entre 6 et 9 heures, le débit d'air éventuellement sec étant de manière préférée compris entre 0,5 et 1,5 L/h/g, préférentiellement compris entre 0,7 et 1,2 L/h/g de solide à traiter. 13. Catalyseur comprenant un mélange d'une zéolithe de type AFX et d'une zéolithe de type BEA, et au moins un métal de transition, présentant une structure 20 zéolithique comprenant : entre 30 et 90% massique, de préférence entre 40 et 90% massique de zéolithe de type structural AFX, par rapport à la masse totale dudit catalyseur sous sa forme anhydre ; entre 10 et 70% massique, de préférence entre 10 et 60% massique de 25 zéolithe de type structural BEA, par rapport à la masse totale dudit catalyseur sous sa forme anhydre ; dans lequel ledit métal de transition est sélectionné dans le groupe formé des éléments suivants : Ti, V, Mn, Mo, Fe, Co, Cu, Cr, Zn, Nb, Ce, Zr, Rh, Pd, Pt, Au, W, Ag, de préférence Cu, Fe, Nb, Ce, Mn, de manière très préférée le fer, le 30 cuivre ou leur mélange, 36 dans lequel la teneur totale en métal de transition est comprise entre 0,5 à 6% massique, de préférence entre 0,5 et 5% massique, et de façon encore plus préférée entre 1 et 4% massique, par rapport à la masse totale du catalyseur final, sous sa forme anhydre. 5 14. Catalyseur selon la revendication 13, ne contenant que du cuivre comme métal de transition et dans lequel la teneur massique totale en cuivre se situe entre 0,5 et 6%, de préférence 0,5 et 5%, préférablement entre 1 et 4% et de manière encore plus préférée entre 1,5 et 3,5% par rapport à la masse totale du catalyseur final sous sa forme anhydre. 10 15. Catalyseur selon la revendication 13, comprend du cuivre et un autre métal de transition, de préférence Fe, Nb, Ce, Mn, et dans lequel la teneur en cuivre se situe entre 0,05 et 2% massique, de préférence 0,5 et 2% massique, alors que la teneur de l'autre métal de transition se situe préférablement entre 1 et 4% massique, les teneurs en métaux de transition étant données en pourcentage 15 massiques par rapport à la masse totale du catalyseur final sous sa forme anhydre. 16. Catalyseur selon la revendication 13, ne contenant que du fer comme métal de transition et dans lequel la teneur massique totale en fer se situe entre 0,5 et 5%, de préférence entre 1 et 4% et préférablement entre 1,5 et 3,5% par rapport 20 à la masse totale du catalyseur final sous sa forme anhydre. 17. Catalyseur selon la revendication 13, comprend du fer et un autre métal de transition, de préférence Cu, Nb, Ce, Mn, et dans lequel la teneur en fer se situe entre 0,05 et 2% massique, de préférence 0,5 et 2% massique, alors que la teneur de l'autre métal de transition se situe préférablement entre 1 et 4% 25 massique, les teneurs en métaux de transition étant données en pourcentage massiques par rapport à la masse totale du catalyseur final sous sa forme anhydre. 18. Catalyseur selon l'une des revendications 13 à 17, obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 12. 37 19. Utilisation du catalyseur selon l'une des revendications 13 à 18 ou préparé par le procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 12, pour la réduction sélective de NOx par un réducteur tel que NH3 ou H2. 20. Utilisation selon la revendication précédente, pour laquelle le catalyseur est mis 5 en forme par dépôt sous forme de revêtement sur un monolithe, de préférence une structure nid d'abeilles ou une structure à plaques. 21 Utilisation selon la revendication 20, pour laquelle la structure nid d'abeilles est formée de canaux parallèles ouverts aux deux extrémités ou comporte des parois poreuses filtrantes pour lesquelles les canaux parallèles adjacents sont 10 alternativement bouchés de part et d'autre des canaux. 22. Utilisation selon la revendication 21, pour laquelle la quantité de catalyseur déposé sur ladite structure est comprise entre 50 à 180 g/L pour les structures filtrantes et entre 80 et 200 g/L pour les structures avec canaux ouverts. 23. Utilisation selon l'une des revendications 19 à 22, pour laquelle ledit catalyseur 15 est associé à un liant tel que la cérine, l'oxyde de zirconium, l'alumine, la silice- alumine non zéolithique, l'oxyde de titane, un oxyde mixte de type cerinezircone, un oxyde de tungstène et/ou une spinelle, pour être mis en forme par dépôt sous forme de revêtement. 24. Utilisation selon l'une des revendications 19 à 23, pour laquelle ledit revêtement 20 est associé à un autre revêtement présentant des capacités d'adsorption de polluants en particulier de NOx, de réduction de polluants en particulier des NOx ou favorisant l'oxydation de polluants. 25. Utilisation selon la revendication 19, pour laquelle ledit catalyseur est sous forme d'extrudé, contenant jusqu'à 100% dudit catalyseur. 25 26. Utilisation selon l'une des revendications 19 à 25, pour laquelle la structure revêtue par ledit catalyseur ou obtenue par extrusion dudit catalyseur est intégrée dans une ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne.