Catalyseur hétérogène

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Catalyseur monolytique utilisé pour l'oxydation de CO en CO₂

La catalyse hétérogène est un type de catalyse dans laquelle le catalyseur se trouve dans une autre phase que les réactifs et les produits de la réaction catalysée. La catalyse hétérogène s'oppose donc à la catalyse homogène, dans laquelle les réactifs se trouvent dans la même phase que le catalyseur.

Les différents types de catalyse hétérogène

La catalyse par un solide

Dans ce cas, le catalyseur est à l'état solide et catalyse une réaction en phase liquide ou en phase gaz.

Intérêt industriel

Dans la majeure partie des applications industrielles, c'est ce type qui est employé. En effet, dans ce type de procédé le catalyseur peut être récupéré par simple filtration ou fixé dans un flux de réactif. Cela permet à la fois de le récupérer aisément afin de pouvoir le réutiliser mais aussi d'éviter des opérations de séparation du catalyseur des produits en fin de réaction^[1].

La surface spécifique

La réaction a lieu à l'interface entre le solide et la phase gazeuse. Elle sera donc d'autant plus performante que cette surface est importante. Pour cette raison, les catalyseurs présentent généralement des surfaces spécifiques très importantes. Il est également possible de maximiser le rapport entre la surface de contact du catalyseur et la masse de catalyseur employé en dispersant ce catalyseur sur un autre solide qui lui servira de support.

Les étapes élémentaires

Une réaction catalysée par un solide passe nécessairement par un certain nombre d'étapes élémentaires :

l'adsorption sur le catalyseur. Les molécules doivent réaliser une adsorption de type chimisorption afin d'être activées et de pouvoir être transformées.
une ou plusieurs étape à la surface du catalyseur. Ces étapes peuvent ne faire intervenir que des molécules adsorbées ou faire intervenir des molécules issues de la phase fluide.
la désorption. Les molécules libèrent les sites qu'elles recouvraient, permettant à une nouvelle adsorption d'avoir lieu

Les différents types de mécanismes

Mécanisme de type Mars - van Krevelen

Dans le cas de l'oxydation des hydrocarbures sur des oxydes, P. Mars et D.W. van Krevelen ont proposé un mécanisme de type redox. Dans celui-ci, l'espèce réactive est un atome d'oxygène du réseau de l'oxyde (sous la forme de O^2-) qui réagit avec l'hydrocarbure. Cet oxygène est ensuite régénéré par l'arrivée d'oxygène de la phase gazeuse.

Mécanisme de type Langmuir - Hinshelwood

Dans ce type de mécanisme, la réaction se fait entre espèces adsorbées à la surface du catalyseur. Cela signifie donc que les espèces nécessaires à une réaction sont présentes à la surface du catalyseur. Cela ne veut pas dire que toutes les espèces mises en jeu dans la réaction doivent être présentes. Dans le cas de réactions mettant en jeu plusieurs espèces et plusieurs étapes, le substrat peut bouger à la surface du catalyseur et les réactifs aussi. Dans le cas de l'oxydation de composés organiques volatils, ce mécanisme implique une réaction de surface entre l'oxygène et le COV. Tous les deux sont adsorbés sur des sites actifs de même type. L'adsorption de l'oxygène et du COV peut être dissociative ou non avec une compétition des réactifs possible entre eux.

Mécanisme de type Eley - Rideal

Contrairement au mécanisme précédent, ici la réaction se fait entre une espèce adsorbée à la surface du catalyseur et une espèce non adsorbée. Toujours dans le cas de l'oxydation catalytique des COV, seul le COV ou l'oxygène est adsorbé à la surface du catalyseur, ce qui permet de dire que la réaction a lieu entre une molécule de COV adsorbé et une molécule d'oxygène dans la phase gaz ou bien l'inverse.

Matériaux utilisés

fer : procédé Haber (synthèse de l'ammoniac)
oxyde de vanadium
nickel : nickel de Raney (fabrication de la margarine)
palladium : pot catalytique, hydrogénation
platine : pot catalytique, fabrication d'acide nitrique, pétrochimie
rhodium : pot catalytique

Notes et références

↑ Claude Naccache, « Catalyse hétérogène dans les procédés industriels », Techniques de l'Ingénieur, vol. JB 2, n^o 1255,‎ 2005, p. 1

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