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3 Caractérisation des catalyseurszéolithiques

Les propriétés catalytiques des zéolithes dépendent d’une part des conditions opé-ratoires choisies pour les transformations souhaitées, d’autre part de leurs proprié-tés chimiques, physiques et physicochimiques. L’objectif est ici de décrire briève-ment comment ces propriétés peuvent être caractérisées. Le lecteur trouvera dansdivers livres [1–5] consacrés aux techniques de caractérisation des catalyseurs so-lides des informations plus détaillées sur le principe de ces techniques et sur leurslimitations.

Les caractéristiques des zéolithes qui déterminent leurs propriétés catalytiquessont relativement nombreuses :

– structure de ces zéolithes et degré de perfection de cette structure ;

– composition chimique globale et surtout composition de la maille élémen-taire ;

– taille et forme des cristallites ;

– propriétés d’adsorption ;

– nature, localisation, concentration et force des sites actifs.

Déterminer toutes ces caractéristiques demande un temps non négligeable etimpose de disposer d’un éventail très large de techniques (Tableau 3.I). Généra-lement, le chercheur se limitera donc à l’établissement des caractéristiques qui luisemblent déterminantes pour la catalyse de la réaction souhaitée. Il devra alors êtreprudent dans ses conclusions, gardant à l’esprit l’effet possible des caractéristiquesnon déterminées. Bien évidemment, pour un catalyseur commercial, la fiche si-gnalétique fournie par le vendeur regroupe la plupart de ses caractéristiques.

1. Structure zéolithique

Quelle que soit l’application du matériau zéolithique, il est essentiel de vérifierque l’échantillon utilisé contient bien la zéolithe désirée et avec un bon degré depureté (absence d’autres structures zéolithiques, etc.). Cette vérification se fait par

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40 LES ZÉOLITHES

TAB. 3.I – Caractérisation des catalyseurs zéolithiques. Techniques et information obtenue.

Information Techniques Abréviationdes principales techniques

Structure – CristallinitéComposition chimiqueComposition superficielleComposition de charpente

MorphologiePorosité

Acidité

Dispersion Métaux

XRDAAS, XRF, ICP, PIXEXPS, SIMS29Si, 27Al, MAS-NMR,XRD, IRSEMPhysisorption (N2,alcanes. . .)FTIR (OH)Chimisorption debases : TPD,calorimétrie, FTIRTEM, Chimisorption,titrage H2-O2

AAS Atomic Absorption SpectroscopyEPR Electron ParamagneticResonanceFTIR Fourier TransformationInfraredICP Induced Coupled PlasmaMAS-NMR Magic Angle Spinning –Nuclear Magnetic ResonancePIXE Proton-Induced X-RayEmissionSEM Scanning Electron MicroscopySIMS Secondary Ion MassSpectroscopyTEM Transmission ElectronMicroscopyTPD Temperature ProgrammedDesorptionXPS X-Ray PhotoelectronSpectroscopyXRD X-Ray DiffractionXRF X-Ray FluorescenceSpectroscopy

diffraction des rayons X, chaque structure zéolithique possédant un spectre sou-vent bien spécifique. Les données cristallines et les spectres simulés de 133 struc-tures zéolithiques ont été récemment publiés : Collection of Simulated XRD PowderPatterns for Zeolites, 4th revised edition par la Commission Structure de l’AssociationInternationale des Zéolithes [6]. Si tous les pics observés dans le spectre simulé setrouvent dans le spectre de l’échantillon et avec des intensités comparables, celui-ci contient bien la zéolithe désirée et avec un bon degré de pureté.

Soulignons cependant que la position des pics et leur intensité dépendent dela composition de la zéolithe. Ceci est clairement démontré par la comparaisondes spectres DRX d’un échantillon NH4NaFAU avant et après désalumination parun traitement hydrothermal sévère (Figure 3.1). Le traitement hydrothermal pro-voque un déplacement des pics vers des valeurs supérieures de 2θ, une diminutionde l’intensité des pics d’indice de Miller élevé et une augmentation de celle despics de faible indice. Cet effet de composition, bien que souvent plus limité quecelui montré dans la figure 3.1, rend imprécise l’estimation de la pureté.

Quoi qu’il en soit, on peut dire que si des pics ne sont pas présents dans lespectre expérimental, la structure est différente de celle attendue. Par ailleurs,l’existence de pics supplémentaires indique que d’autres phases cristallines sontprésentes.