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La conversion du méthanol en hydrocarbures est une technologie catalytique attrayante pour obtenir de l'essence ou des oléfines à partir de matières premières alternatives, telles que le gaz naturel et la biomasse. Ce procédé est catalysé par des matériaux acides, plus connus sous le nom de zéotypes, qui définissent la sélectivité du produit désiré.
La réaction de conversion du méthanol en hydrocarbures est un système très dynamique où l'on pense que des espèces aromatiques méthylées, encapsulées dans la structure du catalyseur, constituent le moteur principal de la réaction. En même temps, ces espèces aromatiques peuvent être les précurseurs d'autres espèces poly-aromatiques, qui bouchent le système de pores et inhibent ainsi le catalyseur. L'application industrielle de cette technologie dépendra de la conception de matériaux avancés novateurs avec de meilleures performances, ce qui nécessite des outils plus sophistiqués afin de comprendre les propriétés chimiques et la position des espèces aromatiques concernées.
Une collaboration entre des chercheurs de l'université d'Utrecht et la ligne de lumière SMIS a permis de mieux comprendre les propriétés chimiques et la position de ces espèces aromatiques dans des particules microscopiques individuelles de catalyseur pendant la réaction de conversion du méthanol en hydrocarbures. La brillance élevée du faisceau a permis de sonder non seulement les particules de catalyseur individuelles, mais aussi la distribution des espèces réactives intra-particule.
Les résultats montrent que dans des matériaux avec une structure de type chabazite, deux étapes chimiques distinctes peuvent être observées pendant la réaction de conversion du méthanol en oléfine. Dans la première, de petits hydrocarbures tels que le diméthyléther, des espèces méthoxy et des espèces mono-aromatiques méthylées sont créés de façon assez homogène dans les cages du matériau. Dans la deuxième étape, des espèces poly-aromatiques plus complexes sont formées à la périphérie de cristaux uniques (voir Figure 1) qui bloquent la porosité et désactivent le matériau.
Des études complémentaires de marquage isotopique révèlent que les espèces créées dans la première étape de la réaction sont très dynamiques et qu'elles n'affectent pas l'accessibilité du matériau. Au contraire, les espèces poly-aromatiques créées pendant la deuxième étape de la réaction ne subissent pas d'échange isotopique, ce qui signifie qu'elles ne sont pas actives pendant la réaction et désactivent le matériau.
Figure 1. Cartes chimiques résolues spatialement de cristaux uniques de SAPO-34 de 50 µm mesurés après deux expériences d'échange H/D à 553 K en passant du H4-méthanol au D4-méthanol à l'étape I de la réaction de conversion du méthanol en oléfines (a-d) puis du D6-éthanol au H6-éthanol pendant la réaction de conversion de l'éthanol en oléfines (e-h). Ces résultats comportent des cartes d'intensité des vibrations d'élongation O-H (a et e), O-D (b et f), C-H (c et g) et C-D (d et h) obtenues en mesurant l'intensité des bandes à 3590 cm-1, 2650 cm-1, 2209 cm-1 et 2925 cm-1, respectivement. Le pas est de 15 µm avec un suréchantillonnage de 7 µm.
En appliquant la même méthodologie, les propriétés chimiques et l'accessibilité de cristaux uniques ont été identifiées dans un système de réaction analogue, c'est-à-dire une conversion de l'éthanol en hydrocarbures. À la différence de la conversion du méthanol en hydrocarbures, cette réaction comprend une étape majeure où la formation des espèces mono- et poly-aromatiques a lieu simultanément. Par conséquent, la distribution spatiale des espèces et l'accessibilité des cristaux en sont profondément modifiées.
Ces résultats, résumés dans la Figure 2, fournissent des informations fondamentales sur les propriétés chimiques et le mécanisme de désactivation de ces systèmes catalytiques, et mettent en lumière l'importance de l'étude de tels matériaux au niveau de la particule unique.
Figure 2. Représentation schématique de l'évolution des espèces d'hydrocarbures retenues et de l'accessibilité du cristal dans des cristaux de SAPO-34 individuels en fonction des étapes de réaction pendant les conversions du méthanol en oléfines (haut) et de l'éthanol en oléfines (bas) à 553 K.