FR3130172A1 - procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe de silice poreux comprenant des nanoparticules d’oxyde de titane, ledit matériau et ses applications - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2, un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2, ses utilisations notamment en tant que photocatalyseur ou dans le domaine de la photo-purification de l’air, de la purification d’atmosphères confinées et de la photo-réduction du CO2 en carburants, ainsi qu’un procédé de décontamination d’un milieu gazeux mettant en œuvre ledit matériau. Figure à publier : figure 1
Description
La présente invention est relative à un procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2, à un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2, à ses utilisations notamment en tant que photocatalyseur ou dans le domaine de la photo-purification de l’air, de la purification d’atmosphères confinées et de la photo-réduction du CO2en carburants, ainsi qu’à un procédé de décontamination d’un milieu gazeux mettant en œuvre ledit matériau.
Les composés organiques volatils (COVs) font partie des principaux polluants atmosphériques. Les COVs se définissent comme tout composé organique, d’origine naturelle ou anthropique qui a la particularité d'avoir un point d'ébullition très bas : par conséquent, il s'évapore ou se sublime facilement depuis sa forme solide ou liquide dans des conditions normales de température et de pression. Plus particulièrement, selon la directive 1999/13/CE du conseil européen, un COV correspond à tout composé contenant au moins l’élément carbone et un ou plusieurs éléments suivants : hydrogène, halogène, oxygène, soufre, phosphore, silicium ou azote, à l'exception des oxydes de carbone et des carbonates et des bicarbonates inorganiques, et ayant une pression de vapeur de 0,01 kPa ou plus à une température de 293,15 K. Cela lui confère l'aptitude de se propager plus ou moins loin de son lieu d'émission, entraînant alors des impacts directs et indirects sur les animaux et la nature. Les COVs décelés dans l’environnement intérieur sont générés principalement par des meubles, produits d’entretien, cosmétiques, peintures, bois, colles, textiles, plastiques, tabac, etc... Beaucoup de COVs sont toxiques, notamment les plus volatils et/ou les plus réactifs. Certains sont par exemple considérés comme engendrant des effets chroniques sur la santé lors d’une exposition sur le long terme tels que le toluène, le benzène, le xylène, qui sont des solvants couramment utilisés dans l’industrie appartenant à la famille des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs). Certains alcools (méthanol, propanol), des composés halogénés, ou encore des aldéhydes (formaldéhyde), sont également décrits comme cancérigènes avérés ou probables et/ou perturbateurs endocriniens chez l’homme. Des cas de cancers issus d’une exposition professionnelle au méthanol et au formaldéhyde sont à présent avérés. Enfin, l’émission de COVs peut contribuer à la formation de nuages de pollution urbaine et de l’ozone, à l'amincissement de la couche d'ozone dans la stratosphère, et à l’effet de serre. Les principaux COVs dans l'air ambiant sont : le formaldéhyde, l'acétaldéhyde, l'acétone, l'octane, les alcools dont l'isopropanol, le décane, le benzène, et le toluène.
Pour surmonter le risque sanitaire associé à l’émission de COVs, de nombreuses techniques ont été proposées pour réduire, voire supprimer la présence de COVs dans l’air. Les polluants tels que les COVs sont éliminés conventionnellement à l’aide de purificateurs d’air qui emploient des filtres pour enlever des matières particulaires, ou qui utilisent des matériaux adsorbants tels que par exemple du charbon actif granulaire. Ces techniques transfèrent uniquement les contaminants dans une autre phase au lieu de les détruire. Un traitement supplémentaire ou des étapes manuelles sont donc requises. Une alternative aux purificateurs d’air est l’oxydation photocatalytique des COVs en présence de catalyseurs semi-conducteurs tels que TiO2, ZnO, WO3, ZnS, et CdS, et d’ultraviolets ou d’une illumination proche-ultraviolet, qui permet d’oxyder les composés organiques en dioxyde de carbone, eau, et acides minéraux. Des poudres de ces catalyseurs ont dans un premier temps été utilisées. Puis, afin d’éviter la propagation de nanoparticules dans l’effluent à traiter ou pour éviter une étape fastidieuse de nanofiltration, de nombreuses études se sont concentrées sur la conception de matériaux photocatalytiques supportés. En particulier, le matériau photocatalytique Quartzel®PCO développé et commercialisé par Saint Gobain Quartz est un feutre de fibres de quartz enchevêtrées (pureté > 99,99%, diamètre 8-12 µm) sur lesquelles est supporté un photocatalyseur à base de TiO2synthétisé par méthode sol-gel. Un tel matériau présente les inconvénients d’être cassant, de par notamment le dépôt de particules de TiO2sur des fibres, d’avoir une efficacité surfacique uniquement, et d’induire un risque de perte de TiO2particulaire. Par ailleurs, un tel matériau est difficilement miniaturisable.
D’autres matériaux à base de TiO2ont été proposés dans la demande de brevet FR2975309, tels qu’un monolithe macrocellulaire autosupporté composé d'un matériau comprenant une matrice d'oxyde de titane comprenant au moins 80 % en masse de dioxyde de titane sous forme anatase, et au plus 20 % en masse de dioxyde de titane sous forme rutile, ledit monolithe étant exempt de micropores et comprenant des macropores ayant une dimension moyenne dA de 100 nm à 3 µm et des mésopores interparticulaires ayant une dimension moyenne dE de 2 à 20 nm, lesdits pores étant interconnectés. Le procédé de préparation du monolithe met en œuvre un précurseur d'oxyde de titane Ti(OiPr4), et la préparation d’une émulsion huile dans eau. Le monolithe est utilisé dans la décontamination d'un milieu gazeux susceptible de contenir un ou plusieurs composés organiques volatils. Cependant, ledit monolithe présente de faibles niveaux d’adsorption des COVs. Par ailleurs, lorsque le précurseur d'oxyde de titane est remplacé par un mélange d’un précurseur d'oxyde de titane et d’un précurseur d’oxyde de silicium (TEOS), le monolithe obtenu ne présente plus d’activité photocatalytique.
Par conséquent, il existe un besoin en catalyseurs ayant des performances photocatalytiques améliorées et capables de réduire, voire d’éliminer les COVs de l’air ambiant. Il existe également un besoin en un procédé de fabrication d’un photocatalyseur qui soit industrialisable, simple et économique.
Ainsi, le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur précité et de fournir un catalyseur ayant des propriétés photocatalytiques améliorées pour la purification de l’air, et qui peut être facilement manipulé et éliminé après usage. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de préparation d’un photocatalyseur qui soit simple, économique, et industrialisable.
Le but de l’invention est atteint par le procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux qui va être décrit ci-après.
La présente invention a ainsi pour premier objet un procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2, ledit procédé comprenant :
i) une étape de préparation d’une phase aqueuse acide comprenant au moins un tensioactif cationique et des nanoparticules de TiO2,
ii) une étape d’ajout d’un précurseur de silice à la phase aqueuse acide de l’étape i),
iii) une étape d’ajout d’une phase huileuse à la phase aqueuse acide de l’étape ii) pour former une émulsion,
iv) une étape de polycondensation,
v) une étape d’élimination de la phase huileuse, et
vi) une étape de calcination.
i) une étape de préparation d’une phase aqueuse acide comprenant au moins un tensioactif cationique et des nanoparticules de TiO2,
ii) une étape d’ajout d’un précurseur de silice à la phase aqueuse acide de l’étape i),
iii) une étape d’ajout d’une phase huileuse à la phase aqueuse acide de l’étape ii) pour former une émulsion,
iv) une étape de polycondensation,
v) une étape d’élimination de la phase huileuse, et
vi) une étape de calcination.
Grâce au procédé de l’invention, et en particulier grâce à l’utilisation de nanoparticules de TiO2en association avec la polycondensation du précurseur de silice, on obtient en peu d’étapes et de manière simple un monolithe poreux à porosité multi-échelle comprenant une matrice de silice et des nanoparticules de TiO2. Le procédé permet de garantir la conservation de l’activité photocatalytique native des nanoparticules de TiO2initiales qui sont mises en œuvre dans l’étape i). Par ailleurs, il permet de s’affranchir de l’utilisation de précurseurs de TiO2tels que par exemple Ti(OiPr4) qui sont difficiles à éliminer en fin de synthèse et ne sont donc pas appropriés pour un industrialisation du procédé. Enfin, le procédé permet d’obtenir un matériau poreux présentant des performances améliorées en tant que photocatalyseur, comprenant une répartition en volume des nanoparticules de TiO2, évitant ainsi une perte de TiO2particulaire et rendant envisageable une miniaturisation des purificateurs d’air.
Au sens de la présente invention, on entend par monolithe un objet solide dont la plus petite dimension est d’au moins 1 mm. Les monolithes sont faciles à mettre en forme (colonnes, films, billes) du fait de l’absence de pulvérulence.
Dans le matériau obtenu selon le procédé de l’invention, la matrice d’oxyde de silicium est une matrice continue.
Au sens de la présente invention, on entend par nanoparticules de TiO2, des particules ayant une taille inférieure ou égale à 500 nm environ, de préférence inférieure ou égale à 200 nm, et de façon particulièrement préférée inférieure ou égale à 100 nm.
Les nanoparticules de TiO2ont de préférence au moins une taille supérieure à 1 nm, et de préférence supérieure à 3 nm.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l’invention, les nanoparticules de TiO2présentent une taille allant de 5 à 40 nm environ.
La taille des nanoparticules de TiO2peut être déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier, et en particulier par MET (microscopie électronique à transmission).
Les nanoparticules de TiO2sont de préférence monodisperses. En d’autres termes, leur taille présente un écart type (largeur de la distribution de tailles autour de la moyenne) allant de 3 à 15 nanomètres.
Etape i)
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le tensioactif cationique est choisi parmi les ammoniums quaternaires ayant au moins 8 atomes de carbone. On peut citer à titre d’exemples le bromure de tetradécyltriméthylammonium (TTAB), le bromure de dodécyltriméthylammonium, et le bromure de cétyl-triméthylammonium.
Le tensioactif cationique représente de préférence au moins 15% en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 20 à 35 % en masse environ, par rapport à la masse totale de phase aqueuse acide de l’étape i).
Une telle concentration massique permet d’obtenir un milieu réactionnel initial visqueux et de favoriser la formation d’une émulsion stable lors des étapes ultérieures.
Le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules de l’étape i) comprend de préférence au moins 60 % en masse environ de dioxyde de titane sous forme anatase, et de façon particulièrement préférée au moins 80% en masse environ de dioxyde de titane sous forme anatase, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane. Cela permet ainsi d’améliorer les performances photocatalytiques du matériau obtenu.
Le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules de l’étape i) comprend de préférence au plus 40 % en masse environ de dioxyde de titane sous forme rutile, et de façon particulièrement préférée au plus 20% en masse environ de dioxyde de titane sous forme rutile, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane. Cela permet ainsi d’améliorer les performances photocatalytiques du matériau obtenu.
Les nanoparticules de TiO2représentent de préférence au moins 0,5 % en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 0,8 à 8,0 % en masse environ, par rapport à la masse totale de phase aqueuse acide de l’étape i). Une telle concentration massique minimale permet de garantir une activité photocatalytique suffisante. Par ailleurs, une telle concentration massique maximale permet de limiter la viscosité de la phase aqueuse acide et de garantir une bonne dispersion des nanoparticules de TiO2sans risque de séparations de phases et/ou de perte du caractère monolithique du matériau final.
La phase aqueuse de l’étape i) est une phase aqueuse acide. Son pH est en particulier inférieur au point isoélectrique de la silice, i.e. inférieur à 2,1, et va de préférence de 0,05 (acidité de Hammet) à 1.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l’invention, l’étape i) est réalisée selon les sous-étapes suivantes :
i-1) une sous-étape de préparation d’une phase aqueuse comprenant de l’eau et le tensioactif cationique,
i-2) une sous-étape d’ajout des nanoparticules de TiO2dans la phase aqueuse, et
i-3) une sous-étape d’acidification de la phase aqueuse.
i-1) une sous-étape de préparation d’une phase aqueuse comprenant de l’eau et le tensioactif cationique,
i-2) une sous-étape d’ajout des nanoparticules de TiO2dans la phase aqueuse, et
i-3) une sous-étape d’acidification de la phase aqueuse.
Le tensioactif cationique représente de préférence au moins 10% en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 20 à 45 % en masse environ, par rapport à la masse totale d’eau.
Les nanoparticules de TiO2représentent de préférence au moins 0,5% en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 1 à 10% en masse environ, par rapport à la masse totale de phase aqueuse.
La sous-étape i-3) est effectuée par ajout d’une solution d’acide fort telle qu’une solution d’acide chlorhydrique à 37% en masse environ, dans la phase aqueuse de la sous-étape i-2).
L’étape i) [respectivement les sous-étapes i-1), i-2) et i-3)] sont généralement effectuées à température ambiante (i.e. 18-25°C).
Etape ii)
L’étape ii) permet d’ajouter un précurseur de silice à la phase aqueuse acide de l’étape i).
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le précurseur de silice est un alkoxyde de silicium.
On peut citer à titre d’exemple le tétraéthoxy-orthosilicate (TEOS), le (3-mercaptopropyl)triméthoxyxilane, le (3-aminopropyl)triéthoxysilane, le N-(3-triméthoxysilylpropyl)pyrrole, le 3-(2,4-dinitrophénylamino)propyltriéthoxysilane, le N-(2-aminoéthyl)-3-aminopropyltriméthoxysilane, le phényltriéthoxysilane et le méthyltriéthoxysilane. Le TEOS est particulièrement avantageux.
Les solutions de silicate de sodium peuvent également être envisagées comme précurseur de silice.
Le précurseur de silice représente de préférence au moins 5% en masse environ, et de façon particulièrement préférée de 10 à 30% en masse environ, par rapport à la masse totale de la phase aqueuse acide. Cette concentration massique permet d’obtenir une minéralisation totale du matériau et une bonne tenue mécanique.
L’étape ii) est de préférence effectuée à température ambiante (i.e. 18-25°C).
L’étape ii) est de préférence conduite sous agitation, par exemple pendant une durée de 5 à 20 min environ. Cela permet ainsi de favoriser l’hydrolyse du précurseur de silice, ainsi que l’évaporation au moins partielle des solvants issus du précurseur de silice.
Etape iii)
L’étape iii) est une étape d’émulsification d’une phase huileuse dans la phase aqueuse acide de l’étape ii).
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, la phase huileuse comprend un ou plusieurs composés choisis parmi les alcanes linéaires et ramifiés ayant au moins 9 atomes de carbone. De manière encore plus avantageuse, les alcanes linéaires comprennent entre 10 et 12 atomes de carbone. À titre d’exemple, on peut citer le décane ou le dodécane.
Selon un mode de réalisation, la phase huileuse représente de 50 à 80% en volume environ, par rapport au volume total de l'émulsion [i.e. phase huileuse + phase aqueuse acide de l’étape ii)]. Cette étape d’émulsification est primordiale pour obtenir un réseau macroporeux au sein du matériau.
Conformément à l’invention, la fraction volumique phase huileuse/phase aqueuse acide de l’étape ii) permet de contrôler la taille des macropores. Une augmentation de ladite fraction volumique entraîne une augmentation de la viscosité du milieu réactionnel, et par conséquent du cisaillement lors de l'agitation. Les gouttelettes dans l'émulsion deviennent plus petites et développent ainsi plus de surface à recouvrir par minéralisation. Ainsi, à concentration en précurseur de silice constante, l’augmentation de surface spécifique à recouvrir en augmentant la fraction volumique en huile, induira des minéralisations seulement partielles des bords de Plateau, pouvant engendrer une perte de l’aspect monolithique. Ainsi, pour une fraction volumique phase huileuse/phase aqueuse supérieure à 0,78, la résistance mécanique pourrait être insuffisante pour obtenir un monolithe autosupporté et le produit final peut alors être sous forme de poudre. Ainsi, le rapport volumique phase huileuse/phase aqueuse est de préférence inférieur à 0,78, et avantageusement va de 0,6 et 0,7.
L’étape iii) est de préférence effectuée en ajoutant à la phase aqueuse acide de l’étape ii) sous agitation continue, la phase huileuse au goutte à goutte.
Etape iv)
Lors de l’étape iv) de polycondensation, seul le précurseur de silice s’hydrolyse et polycondense. En d’autres termes, les nanoparticules d’oxyde de titane restent intactes et le titane ne co-condense pas avec le silicium (le titane est spectateur de la polycondensation silicique).
L’étape iv) est de préférence réalisée à température ambiante (i.e. 18-25°C).
L’étape iv) peut durer de 1 à 15 jours, et de préférence de 4 à 10 jours.
À l’issue de l’étape iv), on obtient un matériau solide (émulsion solidifiée).
Le procédé peut comprendre en outre entre l’étape iii) et l’étape iv) une étape iii’) au cours de laquelle on coule l’émulsion de l’étape iii) dans un ou plusieurs récipients, et les récipients sont fermés, notamment afin de favoriser l’étape suivante iv) (prise en masse).
Etape v)
L’étape d’élimination v) permet d’éliminer les résidus organiques provenant de la phase huileuse qui se trouvent essentiellement dans les macropores.
L’étape d’élimination de la phase huileuse est en particulier effectuée par lavage du solide obtenu à l’étape iv) avec un solvant organique.
Le solvant organique peut être du tétrahydrofurane éventuellement en mélange avec de l’acétone (e.g. >90% en volume de THF), ou du dichlorométhane, et de préférence du dichlorométhane.
Le lavage peut durer de 10 à 15 heures, et avantageusement 12 heures.
Selon une forme de réalisation préférée de l’invention, le lavage avec un solvant organique est effectué en plaçant le solide obtenu dans un ou plusieurs récipients contenant le solvant organique, ledit récipient étant lui-même enfermé à l’abri de toute humidité, de préférence dans un dessiccateur.
L’étape d’élimination v) comprend de préférence l’étape de lavage précitée, suivie d’une étape de séchage, par exemple pendant une durée de 1 à 20 jours. Cela permet ainsi d’éviter une évaporation trop rapide du solvant organique. Une évaporation trop rapide du solvant organique peut altérer les propriétés mécaniques du matériau car les forces de capillarité induisent des fractures statistiques et incontrôlées des monolithes en cours de séchage.
Au cours de cette étape de séchage, l’excès de solvant organique est extrait des récipients. Pour ce faire, les matériaux lavés sont de préférence placés dans un dessiccateur pendant une durée allant de 1 jour à 1 semaine. Le couvercle du dessiccateur peut alors être remplacé par un matériau laissant passer le (ou favorisant l’extraction du) solvant organique tel que du papier.
L’étape de séchage peut comprendre en outre une étape de séchage supplémentaire au cours de laquelle les matériaux sont retirés du dessiccateur et sont laissés sécher à l’air par exemple sous hotte sans précautions particulières, de préférence pendant une durée de 1 à 5 jours.
L’étape v) favorise la répartition homogène des nanoparticules de TiO2au sein de la matrice silicique.
L’étape v) est de préférence effectuée à température ambiante (i.e. 18-25°C).
Le procédé peut comprendre en outre entre l’étape iv) de polycondensation et l’étape v) d’élimination de la phase huileuse, une étape iv’) au cours de laquelle le matériau solide issu de l’étape iv) est démoulé desdits récipients.
Etape vi)
L’étape vi) est une étape de calcination.
L’étape vi) permet de calciner les phases micellaires (tensioactif cationique) en créant une mésoporosité, et de fritter la céramique.
L’étape vi) comprend de préférence :
- une première sous-étape vi-1) de calcination comprenant le chauffage d’une température initiale Tià une température Tc 1allant de 160 à 200 °C, avantageusement de 180 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 3 °C/min, avantageusement égale à 2°C/min, puis le maintien de la température Tc 1pendant 3 à 10 heures, avantageusement pendant 6 heures, et
- une seconde sous-étape vi-2) de calcination comprenant le chauffage de la température Tc1à une température Tc2allant de 600 à 800 °C, avantageusement de 700 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 2 °C/min, avantageusement égale à 1°C/min, puis le maintien de la température Tc2pendant 3 à 10 heures, avantageusement pendant 6 heures.
- une première sous-étape vi-1) de calcination comprenant le chauffage d’une température initiale Tià une température Tc 1allant de 160 à 200 °C, avantageusement de 180 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 3 °C/min, avantageusement égale à 2°C/min, puis le maintien de la température Tc 1pendant 3 à 10 heures, avantageusement pendant 6 heures, et
- une seconde sous-étape vi-2) de calcination comprenant le chauffage de la température Tc1à une température Tc2allant de 600 à 800 °C, avantageusement de 700 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 2 °C/min, avantageusement égale à 1°C/min, puis le maintien de la température Tc2pendant 3 à 10 heures, avantageusement pendant 6 heures.
Les sous-étapes vi-1) et vi-2) sont de préférence opérées sous air, par exemple avec une première rampe de montée en température de 25°C à 180°C (à 2°C par minute), en restant à 180°C pendant 6 heures. Ensuite, par exemple une seconde rampe de montée en température à 1°C/mn est appliquée de 180°C à 700°C et les matériaux sont maintenus à 700°C pendant 6 heures.
La descente en température de la température Tc2à la température ambiante est non contrôlée et induite par l’inertie thermique inhérente du four. Cette étape vi) permet d’éliminer les résidus organiques provenant du tensioactif cationique qui se trouvent essentiellement dans les mésopores.
À l’issue du procédé de l’invention, on obtient un matériau sous la forme d’un monolithe poreux, autosupporté, à porosité multi-échelle, comprenant ainsi des macropores, des mésopores, et des micropores, lesdits pores étant interconnectés.
Le procédé de l’invention, et notamment l’utilisation de nanoparticules de TiO2, permet de s’affranchir de l’utilisation de précurseurs de dioxyde de titane, et d’éviter ainsi le contrôle des cinétiques de polycondensation de TiO2et SiO2. Cela permet également de favoriser la formation d’un monolithe autosupporté.
Le matériau obtenu selon le procédé conforme au premier objet de l’invention peut être tel que défini dans le deuxième objet de l’invention décrit ci-après.
L’invention a pour deuxième objet un matériau sous la forme d’un monolithe poreux autosupporté, caractérisé en ce qu’il comprend une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2, et en ce que :
- ledit matériau comprend des macropores, des mésopores, des micropores, et des parois formant un réseau poreux interconnecté, et
- les nanoparticules de TiO2sont réparties de manière statistique à la fois en surface des macropores, et en surface et dans le volume desdites parois (bords de Plateau).
- ledit matériau comprend des macropores, des mésopores, des micropores, et des parois formant un réseau poreux interconnecté, et
- les nanoparticules de TiO2sont réparties de manière statistique à la fois en surface des macropores, et en surface et dans le volume desdites parois (bords de Plateau).
Les nanoparticules de dioxyde de titane sont réparties ou dispersées de manière statistique à l’échelle macroscopique. En particulier, les nanoparticules de TiO2se trouvent à la surface des macropores ainsi qu’à la surface et dans le volume des parois (bords de Plateau) formant le réseau poreux interconnecté.
Le monolithe de l’invention est un monolithe autosupporté. En d’autres termes, il présente une tenue mécanique suffisante pour pouvoir être utilisé tel quel, i.e. sans support.
Dans le matériau de l’invention, la matrice d’oxyde de silicium est une matrice continue.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, ledit matériau comprend de 5% à 30% en masse environ de TiO2, et de préférence de 7% à 25% en masse environ de TiO2, par rapport à la masse totale de matériau (i.e. SiO2+ TiO2).
Le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules du matériau de l’invention comprend de préférence au moins 60 % en masse environ de dioxyde de titane sous forme anatase, et de façon particulièrement préférée au moins 80% en masse environ de dioxyde de titane sous forme anatase, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane. Cela permet ainsi d’améliorer les performances photocatalytiques du matériau obtenu.
Le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules du matériau de l’invention comprend de préférence au plus 40 % en masse environ de dioxyde de titane sous forme rutile, et de façon particulièrement préférée au plus 20% en masse environ de dioxyde de titane sous forme rutile, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane.
Ledit matériau est de préférence constitué d’une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le matériau possède un rapport molaire Ti/Si allant de 0,08 à 0,8) environ, et de façon particulièrement préférée de 0,09 à 0,65 environ.
Ce rapport molaire peut être déterminé par analyse élémentaire ICP (technique analytique à plasma à couplage inductif).
Conformément à l’invention, le matériau est un monolithe poreux à porosité à multi-échelle, i.e. comprenant des macropores (celles-ci provenant de la phase huileuse et de l’élimination de celle-ci), des mésopores (celles-ci provenant des systèmes micellaires ou lyotropes), et des micropores (celles-ci provenant de la répartition statistique des tétraèdres SiO4dans l'espace géométrique), lesdits pores étant interconnectés.
Les macropores (taille supérieure à 50 nm) peuvent être identifiés par microscopie électronique à balayage (MET) et leurs fenêtres de jonctions quantifiées par des mesures d'intrusion mercure. La mise en œuvre de la technique d'intrusion de mercure montre la bonne tenue mécanique des matériaux obtenus, qui résistent aux pressions de mercure auxquelles ils sont soumis lors des mesures.
La mésoporosité (taille allant de 2 à 50 nm) peut être identifiée par microscopie électronique à transmission (MET). La texture vermiculaire de la mésoporosité peut être identifiée par diffraction des RX aux petits angles, cette technique servant également à quantifier la distance de pore à pore (ou mur à mur). La mésoporosité et la microporosité peuvent être quantifiées et ségrégées par une technique d'adsorption-désorption d'azote dont le dépouillement se fait par la méthode de calcul BET (modèle de Brunauer, Emmett et Teller ou méthode BET) globalisant mésoporosité et microporosité (S. Brunauer, P. H. Emmet, E. Teller, Journal of the American Chemical Society, 1938, 60, 2, 309-319) ; et par la méthode de calcul B.J.H (Barrett, Joyner et Halenda, Journal of the American Chemical Society, 1951, 73, 373-380), selon laquelle la ségrégation entre microporosité et mésoporosité devient effective, la méthode BJH ne considérant que les pores supérieurs à 1,5 angströms.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le matériau comprend des macropores ayant une dimension moyenne dA de 4 à 100 µm environ, des mésopores ayant une dimension moyenne dE de 30 à 60 Å environ, et des micropores ayant une dimension moyenne dI inférieure à 20 Å environ, lesdits pores étant interconnectés.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le matériau présente une surface spécifique allant de 500 à 1200 m2/g, de préférence allant de 550 à 1100 m2/g environ, et de façon particulièrement préférée allant de 600 à 1040 m2/g environ. Cela permet ainsi de garantir une certaine mésoporosité et de favoriser un temps de rétention suffisant du gaz à décontaminer au sein du matériau lors de la photocatalyse.
Dans la présente invention, la surface spécifique est déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier, et en particulier par la méthode BET, de préférence en utilisant du diazote comme gaz.
Le matériau présente de préférence une densité de squelette d’au moins 1 g/cm3environ, de façon particulièrement préférée allant de 1,5 à 4,0 g/cm3environ, et de façon plus particulièrement préférée allant de 2,0 à 3,5 g/cm3environ. Cela permet ainsi de favoriser la propagation des photons au sein du matériau et ainsi ses propriétés photoniques lors de la catalyse.
Dans la présente invention, la densité du squelette est déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier, et en particulier par pycnométrie à l’hélium, par exemple à l’aide d’un appareil vendu sous la dénomination commerciale Micromeritics AccuPy 1330.
Le matériau présente de préférence une densité apparente d’au moins 0,06 g/cm3environ, de façon particulièrement préférée allant de 0,07 à 0,20 g/cm3environ, et de façon plus particulièrement préférée allant de 0,07 à 0,15 g/cm3environ. Cela permet ainsi de garantir une certaine macroporosité et de limiter la perte de charge lors de la catalyse.
Dans la présente invention, la densité apparente est déterminée par des méthodes bien connues de l’homme du métier, et en particulier par mesures d'intrusion de mercure à température ambiante, par exemple à l'aide d'un appareil commercialisé sous la dénomination Micromeritics Autopore IV.
Le matériau présente de préférence une porosité d’au moins 80%, de façon particulièrement préférée allant de 85 à 98% environ, et de façon plus particulièrement préférée allant de 90 à 98% environ.
Le matériau conforme au deuxième objet de l’invention peut être avantageusement obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention.
L’invention a pour troisième objet l’utilisation d’un matériau tel que défini dans le deuxième objet de l’invention ou tel qu’obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention, en tant que photocatalyseur.
Selon un mode de réalisation avantageux, le matériau est utilisé pour catalyser la dégradation de composés organiques volatils en milieu gazeux sous l'influence d'une irradiation UV.
L’invention a pour quatrième objet l’utilisation d’un matériau tel que défini dans le deuxième objet de l’invention ou tel qu’obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention, dans le domaine de la photo-purification de l’air, de la purification d’atmosphères confinées, ou de la photo-réduction du CO2en carburants.
Parmi les composés organiques volatils dégradables par le matériau de l'invention, on peut citer les hydrocarbures halogénés, les hydrocarbures aromatiques, les alcanes, les alcènes, les alcynes, les aldéhydes, et les cétones, en particulier l'acétone, les alcanes légers, le benzène, le toluène, le xylène, les alcools, et les aldéhydes, et préférentiellement l’acétone, le benzène, le xylène, et toluène.
L’invention a pour cinquième objet un procédé de décontamination d'un milieu gazeux contenant un ou plusieurs composés organiques volatils, ledit procédé étant caractérisé en ce que la décontamination est réalisée par passage dudit milieu gazeux au travers d’un matériau tel que défini dans le deuxième objet de l’invention ou tel qu’obtenu selon un procédé tel que défini dans le premier objet de l’invention, sous irradiation lumineuse.
Selon ce procédé, la photocatalyse des COVs est réalisée de façon instantanée dans tout le volume du matériau conforme à l'invention et non uniquement en surface comme dans les matériaux de l'art antérieur. Les rendements photocatalytiques sont ainsi augmentés. Par ailleurs, la dégradation des COVs est observée instantanément après l'irradiation UV, sans phase de latence, et est stable dans le temps. Le procédé de décontamination permet d’une part la captation des impuretés contenues dans les effluents à traiter et d’autre part leur dégradation.
Selon une forme de réalisation particulière du procédé de l'invention, le passage du milieu gazeux est réalisé en flux continu.
L’irradiation lumineuse peut être effectuée avec au moins une source d’irradiation produisant au moins une longueur d’onde allant de 250 à 800 nm environ.
À l’issue du procédé de l’invention, les COVs sont convertis au moins en partie en dioxyde de carbone (CO2).
Les composés organiques volatils sont tels que définis dans le quatrième objet de l’invention.
Le procédé peut être mis en œuvre dans un réacteur en lit fixe.
Ledit matériau est préférentiellement fixé au sein du réacteur, et le milieu gazeux contenant un ou plusieurs composés organiques volatils est envoyé à travers le matériau photocatalytique.
Lors du procédé, le milieu gazeux peut être choisi parmi N2, O2, ou l’air.
Le procédé est généralement mis en œuvre à une température allant de 20 à 60°C environ, et préférentiellement de 25 à 40°C environ.
Le procédé est généralement mis en œuvre à une pression allant de 0,05 à 1,5 MPa environ, et préférentiellement de 0,1 à 0,2 MPa environ.
La présente invention est illustrée par les exemples de réalisation suivants, auxquels elle n'est cependant pas limitée.
L’invention est illustrée par les figures 1 à 5 et les exemples qui suivent.
La représente des images de monolithes obtenus selon le procédé de l’invention avec de gauche à droite : Monolithe SiO2-0,3TiO2; Monolithe SiO2-0,8TiO2 ; et Monolithe SiO2-1,2TiO2(figure a) ; et des images de microscopie électronique à balayage (MEB) montrant la macroporosité interconnectée pour le Monolithe SiO2-0,3TiO2(figures b et c) ; le Monolithe SiO2-0,8TiO2(figures d et e) ; et le Monolithe SiO2-1,2TiO2(figures f et g).
La représente l'intrusion différentielle (exprimée en ml/g) est fonction de la distribution de la taille des fenêtres de jonctions inter-pores (exprimé en µm) pour les monolithes : Monolithe SiO2-0,3TiO2; Monolithe SiO2-0,8TiO2; et Monolithe SiO2-1,2TiO2.
La représente des isothermes de sorption-désorption d’azote (N2) en fonction de la pression relative P/P0pour les monolithes de l’invention : Monolithe SiO2-0,3TiO2; Monolithe SiO2-0,8TiO2; et Monolithe SiO2-1,2TiO2, et à titre comparatif pour un monolithe non conforme à l’invention Si(HIPE).
La représente les diagrammes obtenus par diffusion de RX aux grands angles sur divers matériaux : nanoparticules de TiO2(Degussa P25) utilisées dans le procédé de l’invention chauffées à 700°C (figure a) ; nanoparticules de TiO2(Degussa P25) utilisées dans le procédé de l’invention non traitées (figure b) ; Monolithe SiO2-0,3TiO2(figure c) ; Monolithe SiO2-0,8TiO2(figure d) ; et Monolithe SiO2-1,2TiO2(figure e).
La représente la concentration en acétone (ronds pleins) et en dioxyde de carbone (losanges vides) en fonction du temps lors des phases d'irradiation et d'obscurité.
Exemples
Les matières premières utilisées dans les exemples sont listées ci-après :
- Dodécane, pureté ≥ 99%, Sigma-Aldrich,
- Acide chlorhydrique (HCl), 37% en masse, Sigma-Aldrich,
- Tétraéthylorthosilicate (TEOS), pureté ≥ 99%, Sigma-Aldrich,
- Nanoparticules de TiO2, Degussa P25, Sigma-Aldrich (85% en masse de TiO2sous forme anatase et 15% en masse de TiO2sous forme rutile, taille des nanoparticules 20 nm en moyenne),
- Bromure de tétradécyltriméthyl ammonium (TTAB), Alfa Aesar,
- Dichlorométhane, ACS-Réactif RPE, Carlo Erba,
- Eau déionisée, obtenue en utilisant un système de purification de l’eau de type Milli-Q.
- Dodécane, pureté ≥ 99%, Sigma-Aldrich,
- Acide chlorhydrique (HCl), 37% en masse, Sigma-Aldrich,
- Tétraéthylorthosilicate (TEOS), pureté ≥ 99%, Sigma-Aldrich,
- Nanoparticules de TiO2, Degussa P25, Sigma-Aldrich (85% en masse de TiO2sous forme anatase et 15% en masse de TiO2sous forme rutile, taille des nanoparticules 20 nm en moyenne),
- Bromure de tétradécyltriméthyl ammonium (TTAB), Alfa Aesar,
- Dichlorométhane, ACS-Réactif RPE, Carlo Erba,
- Eau déionisée, obtenue en utilisant un système de purification de l’eau de type Milli-Q.
Sauf indications contraires, tous les matériaux ont été utilisés tels que reçus des fabricants.
Claims (15)
- Procédé de préparation d’un matériau sous la forme d’un monolithe poreux comprenant une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2, ledit procédé comprenant :
i) une étape de préparation d’une phase aqueuse acide comprenant au moins un tensioactif cationique et des nanoparticules de TiO2,
ii) une étape d’ajout d’un précurseur de silice à la phase aqueuse acide de l’étape i),
iii) une étape d’ajout d’une phase huileuse à la phase aqueuse acide de l’étape ii) pour former une émulsion,
iv) une étape de polycondensation,
v) une étape d’élimination de la phase huileuse, et
vi) une étape de calcination. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nanoparticules de TiO2présentent une taille allant de 5 à 40 nm.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dioxyde de titane (TiO2) des nanoparticules de l’étape i) comprend au moins 60 % en masse de dioxyde de titane sous forme anatase, par rapport à la masse totale de dioxyde de titane.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanoparticules de TiO2représentent au moins 0,5 % en masse, par rapport à la masse totale de phase aqueuse acide de l’étape i).
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape i) est réalisée selon les sous-étapes suivantes :
i-1) une sous-étape de préparation d’une phase aqueuse comprenant de l’eau et le tensioactif cationique,
i-2) une sous-étape d’ajout des nanoparticules de TiO2dans la phase aqueuse, et
i-3) une sous-étape d’acidification de la phase aqueuse. - Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la phase huileuse comprend un ou plusieurs composés choisis parmi les alcanes linéaires et ramifiés ayant au moins 9 atomes de carbone et en ce que la phase huileuse représente de 50 à 80% en volume, par rapport au volume total de l'émulsion.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape vi) comprend :
- une première sous-étape vi-1) de calcination comprenant le chauffage d’une température initiale Tià une température Tc 1allant de 160 à 200 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 3 °C/min, puis le maintien de la température Tc 1pendant 3 à 10 heures, et
- une seconde sous-étape vi-2) de calcination comprenant le chauffage de la température Tc1à une température Tc2allant de 600 à 800 °C, avec une vitesse de chauffe allant de 0,5 à 2 °C/min, puis le maintien de la température Tc2pendant 3 à 10 heures. - Matériau sous la forme d’un monolithe poreux autosupporté, caractérisé en ce qu’il est obtenu selon un procédé tel que défini à l’une quelconque des revendications précédentes, en ce qu’il comprend une matrice d’oxyde de silicium, et des nanoparticules de TiO2, et en ce que :
- ledit matériau comprend des macropores, des mésopores, des micropores, et des parois formant un réseau poreux interconnecté, et
- les nanoparticules de TiO2sont réparties de manière statistique en surface des macropores, et en surface et dans le volume desdites parois. - Matériau selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau comprend de 5% à 30% en masse de TiO2, par rapport à la masse totale de matériau.
- Matériau selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu’il présente une surface spécifique allant de 500 à 1200 m2/g.
- Matériau selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu’il présente une densité apparente d’au moins 0,06 g/cm3.
- Matériau selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu’il présente une porosité d’au moins 80%.
- Utilisation d’un matériau tel que défini à l’une quelconque des revendications 8 à 12, en tant que photocatalyseur.
- Utilisation d’un matériau tel que défini à l’une quelconque des revendications 8 à 12, dans le domaine de la photo-purification de l’air, de la purification d’atmosphères confinées, ou de la photo-réduction du CO2en carburants.
- Procédé de décontamination d'un milieu gazeux contenant un ou plusieurs composés organiques volatils, ledit procédé étant caractérisé en ce que la décontamination est réalisée par passage dudit milieu gazeux au travers d’un matériau tel que défini à l’une quelconque des revendications 8 à 12, sous irradiation lumineuse.
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|---|---|---|---|---|
| JP2009131760A (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-18 | Sumitomo Chemical Co Ltd | 光触媒体、その製造方法およびその用途 |
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-
2022
- 2022-12-14 WO PCT/EP2022/085833 patent/WO2023111007A1/fr unknown
Patent Citations (4)
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| CARN ET AL., J. MATER. CHEM., vol. 14, 2004, pages 1370 - 1376 |
| S. BRUNAUERP. H. EMMETE. TELLER, JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, vol. 60, no. 2, 1938, pages 309 - 319 |
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| WO2023111007A1 (fr) | 2023-06-22 |
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