Brevet FR3101259A1 — publié le 20210402

L’invention concerne un procédé de préparation d’un catalyseur à base de zéolithe AFX échangée avec au moins un métal de transition comprenant au moins les étapes suivantes : i) le mélange en milieu aqueux, d'au moins une source de silicium (Si) sous forme oxyde SiO 2 , d’au moins une source d’aluminium (Al) sous forme oxyde Al 2 O 3 , de dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, d’au moins une source d'au moins un métal alcalin, jusqu’à l’obtention d’un gel précurseur homogène; ii) un traitement hydrothermal à une température comprise entre 75°C et 95°C, bornes incluses, iii) au moins un échange ionique avec une solution comprenant au moins une espèce apte à libérer un métal de transition, iv) traitement thermique par séchage suivi d’au moins une calcination sous flux d’air à une température comprise entre 400 et 700°C. L’invention concerne également le catalyseur obtenu et son utilisation pour la réduction sélective des NOx. Figure à publier : Figure 1 SYNTHESE A BASSE TEMPERATURE DE CATALYSEUR A BASE DE ZEOLITHE AFX ET SON APPLICATION EN NH 3 -SCR L’invention a pour objet un procédé de préparation d’un catalyseur à base d’une zéolithe de type structural AFX synthétisée à basse température 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. 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 efficace 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 NH 3 -SCR. L’ammoniac (NH 3 ) impliqué dans le processus SCR est généralement généré via la décomposition d’une la solution aqueuse d'urée (AdBlue ou DEF), et produit N 2 et H 2 O lors de la réaction avec NOx. Les zéolithes échangées avec des métaux de transitions sont notamment utilisées comme catalyseurs pour les applications NH 3 -SCR, dans les transports. Les zéolithes à petit pores, en particulier les chabazites échangées au cuivre, sont particulièrement adaptées. Elles existent commercialement sous la forme silico-aluminophosphate 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 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 NH 3 -SCR est connue, mais peu de travaux évaluent l’efficacité de catalyseurs mettant en œuvre cette zéolithe. Fickel et al. (Fickel, D. W., & Lobo, R. F., The Journal of Physical Chemistry C, 2010, 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 (synthèse à 150°C pendant 6 jours), dans lequel le cuivre est introduit par échange en utilisant du sulfate de cuivre(II) à 80°C pendant 1 heure. Des résultats récents (Fickel, D. W., D’Addio, E., Lauterbach, J. A., & Lobo, R. F., Applied Catalysis B: Environmental, 2011, 102(3), 441-448) montrent une excellente conversion et une bonne tenue hydrothermale pour un chargement à 3,78% poids en cuivre. Les zéolithes de type structural AFX comprennent en particulier la zéolithe SSZ-16, et les zéotypes SAPO-56 et MEAPSO-56. La zéolithe de type structural AFX présente un système tridimensionnel de pores délimités par huit tétraèdres et est formé par deux types de cages: gmelinite (cage GME) et une grande cage AFT (~8,3 x 13,0 Ǻ). De nombreuses méthodes de synthèse de zéolithes de type structural AFX, en particulier de la zéolithe SSZ-16, sont connues. La zéolithe SSZ-16 a été synthétisée en utilisant des espèces organiques azotées dérivées de type 1,4-di(1-azoniabicyclo[2.2.2]octane)butyl dibromide et avec une durée de cristallisation typiquement supérieure à 3 jours et à une température égale ou supérieure à 140°C (US. Patent No. 4,508,837). Chevron Research and Technology Company a préparé la zéolithe SSZ-16 en présence de cations DABCO-C n -diquat, où DABCO représente le 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane et n est 3, 4 ou 5 avec une durée de cristallisation typiquement supérieure à 3 jours et à une température supérieure à 100°C, de préférence supérieure à 130°C (US 5,194,235). S.B. Hong et al ont utilisés l’ion alkylammonium diquaternaire Et6-diquat-n, où Et6-diquat représente N’,N’-bis-triethylpentanediammonium et n est 5, comme agent structurant pour la synthèse de la zéolithe SSZ-16 avec une durée de formation de la zéolithe SSZ-16 comprise entre 7 et 14 jours et à une température de 160°C, (Micropor. Mesopor. Mat., 60 (2003) 237-249). On peut citer également l'utilisation des cations 1,3-bis(adamantyl)imidazolium comme agent structurant pour la préparation de zéolithe de type structural AFX avec une durée de cristallisation comprise entre 7 et 10 jours et généralement comprise entre 2 et 15 jours, et à une température supérieure à 100°C, de préférence entre 120 et 160°C (R.H. Archer et al., Microp. Mesopor. Mat., 130 (2010) 255-265, Johnson Matthey Company W02016077667A1). Inagaki Satoshi et al. (JP2016169139A) ont utilisé des cations divalents N,N,N',N'-tétraarquirubicyclo[2.2.2]oct-7-ene-2,3:05,6-dipyrrolidium substitués avec des groupes alkyle avec une durée de cristallisation généralement comprise entre 20 et 400 heures et à des températures comprises entre 100 et 200°C, de préférence entre 150 et 175°C, pour préparer la zéolithe SSZ-16. Chevron U.S.A. (WO2017/200607 A1) propose de réaliser la synthèse d’une zéolithe SSZ-16 avec une durée de cristallisation de 1 à 28 jours et à des températures comprises entre 130 et 175°C en utilisant les dications : 1,1’-(1,4-cyclohexylenedimethylene)bis[1-methylpiperidinium], 1,1’-(1,4-cyclohexylenedimethylene)bis[1-methylpyrrolidinium], 1,1’-(1,4-cyclohexylenedimethylene)bis[1-ethylpyrrolidinium]. H.-Y. Chen et al. (Johnson Matthey Company, US2018/0093897) ont utilisé un mélange de cations contenant au moins le 1,3-bis(adamantyl)imidazolium et une amine neutre pour préparer la zéolithe JMZ-10 de type structural AFX en absence de cations alcalins avec une durée de cristallisation entre 1 et 20 jours et à des températures comprises entre 100 et 200°C. H.-Y. Chen et al. (Johnson Matthey Company, US2018/0093259) ont utilisé un mélange de cations contenant une molécule organique choisie parmi le 1,3-bis(adamantyl)imidazolium, le N,N-dimethyl-3,5-dimethylpiperidinium, le N,N-diethyl-cis-2,6-dimethylpiperidinium, le N,N,N-1-trimethyladamantylammonium, le N,N,N-dimethylethylcyclohexylammonium et au moins un cation de métal alcalino-terreux pour obtenir la zéolithe JMZ-7 de type structural AFX qui présente des sites Al proches par rapport à une zéolithe obtenue par une synthèse mettant en œuvre des cations alcalins. La durée nécessaire pour obtenir cette zéolithe varie de 3 à 15 jours à une température supérieure à 100°C, de préférence entre 120 et 180°C. K.G Strohmaier et al. (Exxon Mobil, WO2017202495A1) ont utilisé la molécule organique 1,1’-(hexane-1,6-dyil)bis(1-méthylpipéridinium) en présence d’un complexe métallique stabilisé par des ligands d’amine pour obtenir une zéolithe de type structural AFX avec une durée de cristallisation de 1 jour à environ 100 jours et à des températures comprises entre 100 et 200°C, de préférence entre 150 et 170°C. La demanderesse a découvert qu’un catalyseur à base d’une zéolithe de type structural AFX préparé selon un mode de synthèse particulier, c'est-à-dire à des températures de cristallisation inferieures ou égales à 95°C 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 N 2 O. Les performances de conversion des NOx, en particulier à basse température (T 2 O. Un autre avantage de cette méthode de synthèse de la zéolithe est qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser des réacteurs qui travaillent à une pression supérieure à l’atmosphérique. Procédé de préparation d’un catalyseur à base de zéolithe AFX échangée avec au moins un métal de transition comprenant au moins les étapes suivantes : i) le mélange en milieu aqueux, d'au moins une source de silicium (Si) sous forme oxyde SiO 2 , d’au moins une source d’aluminium (Al) sous forme oxyde Al 2 O 3 , d’un composé organique azoté R, R étant le dihydroxyde de 1,6-bis(méthylpiperidinium)hexane, d’au moins une source d'au moins un métal alcalin choisi parmi le lithium, le potassium, ou le sodium, et le mélange d'au moins deux de ces métaux, le mélange réactionnel présentant la composition molaire suivante : SiO 2 /Al 2 O 3 compris entre 4 et 60, de préférence entre 8 et 40 H 2 O/SiO 2 compris entre 5 et 60, de préférence entre 10 et 40 R/SiO 2 compris entre 0,05 à 0,50, de préférence entre 0,10 et 0,30 M 2 O/SiO 2 compris entre 0,10 à 0,30, de préférence entre 0,15 et 0,25, jusqu’à l’obtention d’un gel précurseur homogène; ii) le traitement hydrothermal dudit gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) à une température comprise entre 75°C et 95°C, bornes incluses, pendant une durée comprise entre 40 et 100 heures, bornes incluses, pour obtenir une phase solide cristallisée, dite « solide » ; iii) au moins un échange ionique comprenant la mise en contact dudit solide obtenu à l’issue de l’étape précédente, avec une solution comprenant au moins une espèce apte à libérer un métal de transition, en solution sous forme réactive sous agitation à température ambiante pendant une durée comprise entre 1 heure et 2 jours ; iv) traitement thermique par séchage du solide obtenu à l’issue de l’étape précédente à une température comprise entre 20 et 150°C suivi d’au moins une calcination sous flux d’air à une température comprise entre 400 et 700°C. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les étapes iii) et iv) sont interverties, et éventuellement répétées. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le gel précurseur obtenu à l’issue de l’étape i) présente un ratio molaire de la quantité totale exprimée en oxydes d’éléments tétravalents sur la quantité totale exprimée en oxydes d’éléments trivalents compris entre 4,00 et 60,00, de préférence entre 8,00 et 40,00, bornes incluses. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on ajoute des germes cristallins d’une zéolithe de type structural AFX au mélange réactionnel de l’étape i), de préférence en quantité comprise entre 0,05 et 10% de la masse totale des sources d’alumine et de silice sous forme anhydre utilisées dans le mélange réactionnel, lesdits germes cristallins n’étant pas pris en compte dans la masse totale des sources d’alumine et de silice. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’étape i) comprend une étape de mûrissement du mélange réactionnel à une température comprise entre 20 et 60°C, avec ou sans agitation, pendant une durée comprise entre 30 minutes et 48 heures. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le traitement hydrothermal de l’étape ii) est réalisé à pression atmosphérique, de préférence à une température comprise entre 85 et 95°C, bornes incluses, pendant une durée de préférence comprise entre 40 et 80 heures, de manière très préférée entre 48 et 80 heures, bornes incluses. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape iii) d’échange ionique est réalisée par mise en contact du solide avec une solution comprenant une seule espèce apte à libérer un métal de transition ou par mises en contact successives du solide avec différentes solutions comprenant chacune au moins une, de préférence une seule, espèce apte à libérer un métal de transition, de préférence les métaux de transition des différentes solutions étant différents entre eux. Procédé selon la revendication 7 dans lequel ledit au moins un métal de transition libéré dans la solution d’échange 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, de préférence dans le groupe formé des éléments suivants : Fe, Cu, Nb, Ce ou Mn, de manière plus préférée parmi Fe ou Cu et de manière encore plus préférée ledit métal de transition est Cu. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la teneur en métal(aux) de transition introduite par l’étape d’échange ionique iii) est comprise entre 0,5 à 6% massique, de préférence entre 0,5 et 5% massique, de manière plus préférée entre 1 et 4% massique, par rapport à la masse totale du catalyseur final anhydre. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape iv) de 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’au moins une calcination, sous air, éventuellement sec, à une température comprise entre 450 et 700°C, de préférence entre 500 et 600°C pendant une durée comprise entre 2 et 20 heures, de préférence entre 5 et 10 heures, de manière encore plus préférée 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 de solide à traiter, de manière encore plus préférée compris entre 0,7 et 1,2 L/h/g de solide à traiter. Catalyseur à base d’une zéolithe AFX et d’au moins un métal de transition obtenu par le procédé selon l’une des revendications 1 à 10. Catalyseur selon la revendication 11 dans lequel le métal ou les métaux de transition est (sont) sélectionné(s) 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 dans le groupe formé des éléments suivants : Fe, Cu, Nb, Ce ou Mn, de manière plus préférée parmi Fe ou Cu et de manière encore plus préférée ledit métal de transition est Cu. Catalyseur selon l’une des revendications 11 à 12 dans lequel la teneur totale des métaux de transition est comprise entre 0,5 à 6% massique, de préférence entre 0,5 et 5% massique, de manière plus préférée entre 1 et 4% massique, par rapport à la masse totale du catalyseur final anhydre. Catalyseur selon la revendication 13 comprenant du cuivre, seul, à une teneur comprise entre 0,5 et 6% poids, de préférence entre 0,5 et 5% poids, de manière très préférée entre 1 et 4% poids par rapport à la masse totale du catalyseur final anhydre. Catalyseur selon la revendication 13 comprenant du cuivre en association avec au moins un autre métal de transition choisi dans le groupe formé par Fe, Nb, Ce, Mn, la teneur en cuivre du catalyseur étant comprise entre 0,05 et 2% massique, de préférence 0,5 et 2% massique, la teneur dudit au moins un autre métal de transition étant comprise entre 1 et 4% massique par rapport à la masse totale du catalyseur final anhydre. Catalyseur selon la revendication 13 comprenant du fer en association avec un autre métal choisi dans le groupe formé par Cu, Nb, Ce, Mn, la teneur en fer étant comprise entre 0,05 et 2% massique, de préférence entre 0,5 et 2% massique, la teneur dudit autre métal de transition étant comprise entre 1 et 4% massique, par rapport à la masse totale du catalyseur final anhydre. Utilisation du catalyseur selon l’une des revendications 11 à 16 ou obtenu par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, pour la réduction sélective de NO x par un réducteur tel que NH 3 ou H 2 . Utilisation selon la revendication 17, pour laquelle le catalyseur est mis en forme par dépôt sous forme de revêtement sur une structure nid d’abeilles ou une structure à plaques. Utilisation selon la revendication 18, 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 alternativement bouchés de part et d’autre des canaux. Utilisation selon la revendication 19, 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. Utilisation selon l’une des revendications 17 à 20, pour laquelle le catalyseur 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 cerine-zircone, un oxyde de tungstène et/ou une spinelle pour être mis en forme par dépôt sous forme de revêtement. Utilisation selon l’une des revendications 18 à 21, pour laquelle ledit revêtement 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. Utilisation selon la revendication 17, pour laquelle ledit catalyseur est sous forme d’extrudé, contenant jusqu’à 100% dudit catalyseur. Utilisation selon l’une des revendications 17 à 23, 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.