Catalytic selective oxidation of isobutane in a decoupled redox-process

International audienceThe catalytic selective oxidation of isobutane to methacrolein (MAC) and methacrylic acid (MAA) is known to proceed via a Mars-Van Krevelen mechanism. When the reaction is performed in a common reactor with co- feeding of the reactant and oxygen, reactive oxygen species are present on the catalyst surface whereby non- selective oxidation reactions occur. In this work, we studied the possibility to decouple the redox mechanism meaning to separate the reactant oxidation step and the catalyst re-oxidation step for the selective oxidation of isobutane (IBAN) to MAC and MAA. For this purpose, two reactor configurations were employed: a periodic reactor and a two-zone fluidized bed reactor (TZFBR). Whereas the periodic reactor allows the temporal sepa- ration of the two steps, the TZFBR enables the spatial separation.A Cs-based Keggin type heteropolycompound was employed as catalyst and characterized before and after reaction by XRD, Raman and XPS to better understand the structural and chemical changes during the periodic operation. The effect of the oxygen/IBAN concentration on the performance was studied. For the periodic reactor it was found that the conversion of isobutane and the formation of products decreased with the consumption of available oxygen species in the catalyst during a period. For the whole periodic tests, low concentration of ox- ygen injected into the reoxidation part of the cycles led to a high selectivity to the desired products (MAC+MAA).L'oxydation sélective catalytique de l'isobutane en méthacroléine (MAC) et en acide méthacrylique (MAA) est connue pour se dérouler selon un mécanisme de Mars-Van Krevelen. Lorsque la réaction est réalisée dans un réacteur classique avec une alimentation conjointe du réactif et de l'oxygène, des espèces réactives de l'oxygène sont présentes sur la surface du catalyseur, ce qui entraîne des réactions d'oxydation non sélectives. Dans ce travail, nous avons étudié la possibilité de découpler le mécanisme redox, c'est-à-dire de séparer l'étape d'oxydation du réactif et l'étape de réoxydation du catalyseur pour l'oxydation sélective de l'isobutane (IBAN) en MAC et MAA. Dans ce but, deux configurations de réacteur ont été utilisées : un réacteur périodique et un réacteur à lit fluidisé à deux zones (TZFBR). Alors que le réacteur périodique permet la séparation temporelle des deux étapes, le TZFBR permet la séparation spatiale.Un hétéropolycomposé de type Keggin à base de césium a été utilisé comme catalyseur et caractérisé avant et après la réaction par XRD, Raman et XPS afin de mieux comprendre les changements structurels et chimiques pendant l'opération périodique. L'effet de la concentration en oxygène/IBAN sur les performances a été étudié. Pour le réacteur périodique, il a été constaté que la conversion de l'isobutane et la formation de produits diminuaient avec la consommation des espèces d'oxygène disponibles dans le catalyseur pendant une période. Pour l'ensemble des tests périodiques, une faible concentration d'oxygène injectée dans la partie réoxydation des cycles a conduit à une haute sélectivité vers les produits désirés (MAC+MAA)