Déshydrogénation oxydante du n-butane sur des catalyseurs à base de pyrophosphates métalliques

Ioan-Cezar Marcu (1)

1 IRCELYON - Institut de recherches sur la catalyse et l'environnement de Lyon

Oxidative dehydrogenation of n-butane over Ti, Zr, Ce and Sn pyrophosphates based catalysts was studied. The catalysts were characterized by several physical techniques and the catalytic properties evaluated in the temperature range of 410-570°C. TiP2O7 led to the best yield with butenes and butadiene selectivities of 42% and 14%, respectively, for 25% conversion at 530°C. The addition of water to the gas feed has a negative effect on both the conversion and selectivity to butenes and butadiene. Except CeP2O7 which was totally decomposed after catalytic test leading to a mixture of Ce(III) phosphates, the catalysts remain unchanged and can be classified into two groups depending upon the reaction mechanism involved. The first one is composed of ZrP2O7, SnP2O7 and TiP2O7 at low temperature and the second of TiP2O7 at high temperature. The reaction mechanism was studied using electrical conductivity measurements, ESR, Raman spectroscopy and TAP experiments. On both types of catalysts the initial step of activation of alkane would correspond to the attack of the alkane by the O– species giving a radical. But whereas the radical formed rapidly undergo a second hydrogen abstraction according to a similar mechanism leading to butene on the first type, it would either be trapped into an anionic vacancy or on a Ti4+ Lewis acid site to be transformed into an alkoxide intermediate or directly into butene with the abstraction of a proton, on the second type. In the first mechanism the rate limiting step is the attack of the alkane by the O– species but in the second, the reoxidation of the catalytic site by diffusion of the lattice oxygen or directly by gas phase oxygen. For TiP2O7 between 400 et 450°C we observe a special behavior : the rate limiting step is still the attack of the alkane by the O– species but the formed intermediate may also be trapped on the catalyst.

La déshydrogénation oxydante du n-butane a été étudiée sur des catalyseurs à base de pyrophosphates de Ti, Zr, Ce et Sn. Leurs propriétés physico-chimiques (morphologie, structure, composition) ont été suivies par une série de techniques physiques et leurs propriétés catalytiques évaluées entre 410 et 570°C. TiP2O7 présente, à 530°C, le meilleur rendement : les sélectivités en butènes et butadiène atteignent respectivement 42% et 14% pour une conversion de 25%. L'ajout d'eau a un effet négatif sur les performances catalytiques. Mis à part CeP2O7, qui se transforme en deux phases phosphate de Ce(III) durant la réaction, les catalyseurs restent inchangés et peuvent être classifiés en deux groupes en fonction de mécanisme réactionnel impliqué : le premier avec ZrP2O7, SnP2O7 et TiP2O7 à basse température et le deuxième avec TiP2O7 à haute température. Des mesures de conductivité électrique et des caractérisations par RPE, spectroscopie Raman et TAP ont été mises en œuvre pour étudier le mécanisme réactionnel. Sur les deux types de catalyseur l'étape initiale d'activation de l'alcane correspond à l'attaque de l'alcane par une espèce O– menant à un radical, mais tandis que le radical formé est rapidement transformé en butène suite à une deuxième abstraction d'hydrogène par un mécanisme similaire sur le premier type de catalyseur, il est piégé dans une lacune anionique ou sur un site acide de Lewis Ti4+, étant transformé en une espèce alcoxyde ou directement en butènes par l'abstraction d'un proton, sur le deuxième type. Dans le premier mécanisme l'étape limitante est l'attaque de l'alcane par une espèce O– alors que dans le second c'est la réoxydation du site par diffusion de l'oxygène réticulaire ou directement par l'oxygène de la phase gaz. On observe pour TiP2O7 entre 400 et 450°C une situation particulière dont l'étape limitante est toujours l'attaque de l'alcane par une espèce O– mais l'intermédiaire réactionnel peut également être piégé sur le catalyseur.

Mots clés: n-butane; déshydrogénation oxydante; pyrophosphates; mécanisme réactionnel

Domaines: Catalyse

Ioan-Cezar Marcu. Déshydrogénation oxydante du n-butane sur des catalyseurs à base de pyrophosphates métalliques. Catalyse. Université Claude Bernard - Lyon I, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00001474⟩