Caractérisation des catalyseurs
Instruments analytiques de caractérisation des matériaux catalytiques pour les utilisateurs, les fabricants et les chercheurs
Les catalyseurs façonneront l’avenir de l’hydrogène, du CCUS, des produits chimiques durables et de la fabrication circulaire. Écoutez des experts du secteur, du monde universitaire et des organismes de normalisation discuter de ce qui nous attend.. Explorez l’avenir de la catalyse
Explorez l’avenir de la catalyseInstruments analytiques de caractérisation des matériaux catalytiques pour les utilisateurs, les fabricants et les chercheurs
Selon les estimations, 90 % de tous les produits chimiques commercialisés impliquent des catalyseurs à un stade de leur fabrication. La demande de catalyseurs est estimée à environ 30 milliards de dollars et devrait augmenter au cours de la prochaine décennie à mesure que la demande de produits chimiques, de polymères et de produits pétrochimiques augmente, associée à la nécessité croissante de réduire les coûts de procédé, la consommation d'énergie et les émissions.
Cependant, la production chimique n'est pas la seule à nécessiter de meilleurs catalyseurs. Les exigences environnementales encouragent non seulement la production d'une énergie plus propre, mais également l'utilisation de déchets tels que les polymères et le CO2, qui nécessitent alors le développement de nouveaux procédés et de nouveaux matériaux catalytiques. Exemples :
Ces exigences s'ajoutent à des exigences existantes telles que l'optimisation et la production de convertisseurs catalytiques pour le secteur automobile et de catalyseurs de craquage catalytique en lit fluidisé (FCC, Fluid Catalytic Cracking) plus efficaces pour l'industrie pétrochimique.
La caractérisation est essentielle à la fois pour la conception et pour le développement de nouveaux catalyseurs, mais aussi pour le développement et l'optimisation des procédés, y compris l'intensification et le dépannage. La plupart des catalyseurs hétérogènes, par exemple, consistent en un métal ou un oxyde métallique catalytiquement actif situé à la surface d'un support d'oxyde métallique. Il est donc important d'optimiser la structure et les propriétés chimiques de surface pour fournir la sélectivité et la réactivité appropriées pour le procédé à l'étude. D'autres caractéristiques telles que la taille des particules, la porosité et la surface sont également importantes pour optimiser la diffusion et l'adsorption, par exemple.
Malvern Panalytical propose une gamme de solutions complémentaires pour l'analyse physique, structurelle et élémentaire des matériaux catalytiques, notamment la taille des particules, la forme des particules, le potentiel zêta, la composition élémentaire et la structure cristalline :
La fluorescence X (XRF, X-Ray Fluorescence) est largement utilisée pour analyser la composition élémentaire d'une gamme de catalyseurs en raison de sa précision et sa reproductibilité élevées. Par exemple, les Pt, Pd et Rh dans les convertisseurs catalytiques ; les Al, Ni, V, Ti, Fe et S dans les procédés catalytiques FCC ; et les rapports Si/Al dans les zéolites. La fluorescence X peut également être utilisée pour détecter la présence et la concentration de poisons catalytiques qui provoquent la désactivation chimique, tels que les Cl, S, Sn et Pb. L'analyse XRF permet d'économiser beaucoup de temps et d'argent par rapport aux techniques alternatives, et Malvern Panalytical fournit trois solutions principales : les systèmes EDXRF de paillasse tels que l'Epsilon 4, les systèmes WDXRF posés au sol tels que le Zetium et les solutions en ligne telles que l'Epsilon XFlow. Malvern Panalytical fournit également plusieurs solutions de préparation d'échantillons pour XRF, ICP et AA par le biais de sa gamme Claisse.
La diffraction des rayons X (XRD, X-Ray Diffraction) est un outil fondamental pour la conception, le développement et la production de catalyseurs puisqu'elle peut fournir des informations sur la structure brute et la composition de matériaux catalytiques solides tels que les oxydes métalliques et les zéolites. Les systèmes XRD sont couramment utilisés pour surveiller la production de catalyseurs FCC, en particulier pour analyser la taille et la cristallinité de la maille élémentaire. Les systèmes XRD peuvent également être utilisés pour déterminer la taille de cristallisation soit en analysant les largeurs de pic à partir d'une mesure de diffraction typique, soit en utilisant la diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS, Small Angle X-ray Scattering). Les matériaux non cristallins peuvent également être étudiés à l'aide de l'analyse de la fonction de distribution de paires (PDF, Pair Distribution Function). Malvern Panalytical fournit deux solutions XRD principales, le diffractomètre de paillasse Aeris pour l'analyse de routine et le diffractomètre polyvalent Empyrean pour une analyse structurelle plus détaillée.
La diffraction laser est une technique de granulométrie largement utilisée pour les matériaux de tailles comprises entre des centaines de nanomètres et plusieurs millimètres. Elle peut être appliquée à des dispersions sèches ou humides en laboratoire ou sur une ligne de procédé. Pour les applications catalytiques, les données granulométriques générées à l'aide de la diffraction laser peuvent être utilisées pour calculer une surface spécifique (SSA, Specific Surface Area) en convertissant la distribution de volume rapportée en une distribution de surface. Les titrations de pression peuvent également aider à comprendre le risque d'usure, un facteur important pour prédire la durée de vie des catalyseurs dans les réacteurs à lit fluidisé. Le Mastersizer de Malvern Panalytical est l'outil de granulométrie le plus utilisé pour l'analyse catalytique en laboratoire, tandis que l'Insitec peut être utilisé pour l'analyse en ligne dans un environnement de production.
En plus des techniques mentionnées ci-dessus, Malvern Panalytical propose plusieurs autres solutions pour l'analyse de catalyseur, y compris le Zetasizer, qui est utilisé pour évaluer la taille et la stabilité des dispersions de particules, et le Morphologi 4, qui utilise l'analyse d'image pour déterminer la distribution de forme et de taille des particules. Le Morphologi 4 est également disponible avec un spectromètre Raman intégré, qui fournit des informations chimiques spécifiques aux particules.
Gas porosimetry enables the measurement of BET surface area and micro/meso pore size distributions (0.35 nm ≤ 50 nm). Mercury porosimetry provides data in the meso/macropore range (3.6 nm ≤ 1,100 µm). This data may be used together in a unified method for pore volume to report micro, meso and macro areas and volumes. The porous properties of the catalyst support impact metal loading/dispersion and diffusion of both reactant and product molecules in use. Initial and in-use characterisation are important fundamental properties that influence design, chemistry and the time for which they can be used if sintering or blockages occur in the process.
Micromeritics range of gas porosimeters includes multi-station and on-demand analysers in the form of the TriStar, ASAP 2460 and ASAP 2425 and the 3Flex high-resolution micropore analyser delivers exceptional low-pressure data, needed for accurate micropore analysis. Micromeritics AutoPore technology provides mercury porosimetry, studying larger meso/macro pore sizes and porosity, important for understanding reactant and product transfer.
Use of static and dynamic chemisorption experimentation is routine in the catalyst industry. These techniques are used to determine metal surface area, dispersion, and crystallite size. Dynamic chemisorption can also be used to study activation through temperature-programmed reduction (TPR), the range and strength of chemisorbed species through temperature-programmed desorption (TPD), and surface chemistry through temperature-programmed surface reactions (TPSR).
Temperature programmed oxidation (TPO) is another important technique that can be used to study samples that have deactivated due to carbon deposition. In-situ dynamic analysis is a further option where the analysis system can be connected across the reactor, enabling the catalysts to be characterised in-situ at the start and end of an experimental cycle.
Micromeritics AutoChem and ChemiSorb Auto offer dynamic chemisorption routines whilst the 3Flex can be used for both static and dynamic chemisorption. Our In-situ Catalysts Characterisation System (ICCS) connects directly across the reactor and enables in-situ dynamic chemisorption experimentation.
Micromeritics offers two pycnometry technologies: the AccuPyc and GeoPyc. The AccuPyc is a gas pycnometer that determines true density, a useful QC metric since whether a single element or mixture of materials in known proportions are measured, true density can be accurately defined and monitored. The AccuPyc is fast, easy and accurate and can differentiate density to the fourth decimal place. The GeoPyc offers both envelope and bulk density measurement. Envelope density can be carried out in samples such catalyst extrudates and together with the AccuPyc true density allows sample porosity to be determined.
Bulk density is useful metric for particulate materials and be determined with differing consolidation force. Bulk density is influenced by a number of parameters but principally size and shape distributions which can be investigated with our Mastersizer and Morphology products.
X-ray fluorescence (XRF) is widely used for analyzing the elemental composition of a range of catalysts due to its high precision and reproducibility. Examples include Pt, Pd, and Rh in catalytic converters; Al, Ni, V, Ti, Fe, and S in FCC catalytic processes; and Si/Al ratios in zeolites. XRF can also be used to detect the presence and concentration of catalyst poisons that cause chemical deactivation, including Cl, S, Sn and Pb.
XRF analysis can save a lot of time and money compared with alternative techniques, and Malvern Panalytical provides three main solutions: EDXRF benchtop systems such as Epsilon 4, floor-standing WDXRF systems such as Zetium, and on-line solutions such as Epsilon XFlow.
Malvern Panalytical also provides several sample preparation solutions for XRF, ICP, and AA through its Claisse portfolio.
X-ray diffraction (XRD) is a fundamental tool for the design, development and production of catalysts since it can provide information on the bulk structure and composition of solid catalyst materials such as metal oxides and Zeolites. XRD systems are routinely used for monitoring the production of FCC catalysts, in particular analysing unit cell size and crystallinity.
XRD can also be used to determine crystallite size either by analysing peak widths from a typical diffraction measurement or by using Small Angle X-ray Scattering (SAXS). Non-crystalline materials can also be studied using Pair Distribution Analysis (PDF). Malvern Panalytical provides two main XRD solutions: Aeris compact XRD diffractometer for routine analysis, and the Empyrean multi-purpose diffractometer for more detailed structural analysis.
Laser diffraction is a widely used particle sizing technique for materials ranging in size between hundreds of nanometers and several millimeters, and can be applied to wet or dry dispersions in the laboratory or on a process line. For catalyst applications, the particle size data generated using laser diffraction can be used to calculate a specific surface area (SSA) by converting the reported volume distribution into a surface area distribution.
Pressure titrations can also help to understand the risk of attrition, an important factor for predicting the life of catalysts in fluidized bed reactors. Malvern Panalytical’s Mastersizer is the most widely used particle sizing tool for catalyst analysis in a laboratory setting, while Insitec can be used for on-line analysis in a production environment.
Catalyst characterisation is only half of the story! Having produced a catalyst, it then needs to be evaluated for performance. This is where our PID Flow Reactor and Pilot Plant technologies can be used to perform the chemical reactions of interest over time. These technologies allow for the study of activation, feed composition and rate, temperature and pressure. Our PID reactor technology is highly customisable and features patented technologies for pressure control, solids feeding and gas/liquid or gas/liquid/liquid separation in near real time. These units can also interface with other technologies such as the ICCS, mass spectrometers and GC for the analysis of the product stream.
We have, over many years, produced units for use in gasification, pyrolysis, Fischer-Tropsch, ammonia, pressure/temperature swing adsorption processes as well as photocatalysis. Safety is key here, and our reactor technologies offer comprehensive safety functions, including the ability to interface with central laboratory alarm systems.
In addition to the techniques mentioned above, Malvern Panalytical offers several other solutions for catalyst analysis, including the Zetasizer, which is used to evaluate the size and stability of particulate dispersions, and the Morphologi 4, which uses image analysis to determine particle shape and size distribution. The Morphologi 4 is also available with an integrated Raman spectrometer, which provides particle-specific chemical information.
