Catalyse hétérogène
En catalyse hétérogène, le catalyseur se trouve dans une phase différente de celle des réactifs. Généralement, un catalyseur solide est utilisé avec des réactifs gazeux ou liquides. Le procédé comprend plusieurs étapes : diffusion des réactifs vers la surface du catalyseur, adsorption sur les sites actifs, réaction chimique à la surface, désorption des produits et diffusion des produits loin de la surface.
La catalyse hétérogène est la pierre angulaire de l'industrie chimique moderne et représente la grande majorité des processus industriels à grande échelle. Son principal avantage réside dans la facilité de séparation du catalyseur du flux de produits, ce qui simplifie la purification et permet un fonctionnement en continu. Le catalyseur est souvent un solide poreux présentant une surface élevée, ce qui maximise le nombre de sites actifs disponibles. Ces catalyseurs peuvent être non supportés (par exemple, une gaze de platine) ou, plus couramment, supportés, où des nanoparticules de métal catalytiquement actives sont dispersées sur un matériau de support à surface élevée comme l'alumine ([latex]Al_2O_3[/latex]), la silice ([latex]SiO_2[/latex]) ou le charbon actif.
Le mécanisme, souvent décrit par le modèle de Langmuir-Hinshelwood, implique l'adsorption des molécules réactives à la surface du catalyseur. Cette adsorption affaiblit les liaisons chimiques au sein des réactifs, diminuant ainsi l'énergie d'activation de la réaction. Après la réaction entre les espèces adsorbées, les molécules produites se désorbent de la surface, libérant le site actif pour un autre cycle catalytique. La vitesse globale peut être limitée par chacune de ces étapes, du transport de masse des réactifs vers la surface à la désorption des produits. La désactivation du catalyseur par des processus tels que l'empoisonnement (forte adsorption d'impuretés), la cokéfaction (dépôt de matière carbonée) ou le frittage (perte de surface spécifique à haute température) constitue un défi pratique majeur.
UNESCO Nomenclature: 2202
- Chimie physique
Perturbation
Révolutionnaire
Usage
Utilisation généralisée
Précurseurs
- découverte de l'adsorption par Carl Wilhelm Scheele et Felice Fontana
- Les études de Michael Faraday sur les propriétés catalytiques du platine
- Travaux de Paul Sabatier sur l'hydrogénation catalytique des composés organiques
- développement de techniques de sciences de surface
Applications
- Procédé Haber-Bosch pour la synthèse de l'ammoniac
- convertisseurs catalytiques dans les automobiles
- craquage catalytique fluide (FCC) dans le raffinage du pétrole
- Procédé Fischer-Tropsch pour carburants synthétiques
- procédé de contact pour la production d'acide sulfurique
Idées d'innovations potentielles
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Thèmes liés : catalyse hétérogène, catalyseur solide, chimie des surfaces, adsorption, site actif, désorption, Langmuir-Hinshelwood, support de catalyseur, chimie industrielle, transport de masse.