Etude des relations entre la méthode de préparation de nanoparticules d'or supportées, leur taille, la nature des interactions métal-support et les performances en catalyse d'oxydation

Mots clés

catalyse hétérogène, oxydation de CO, ablation laser, nanoparticules d'or, caractérisations des surfaces, plasmonique

Détail de l'offre

Bien que l'or ait longtemps été considéré comme un métal noble relativement inactif, les catalyseurs supportés contenant des nanoparticules d'or inférieures à 5-10 nm ont récemment montré un potentiel exceptionnel en catalyse, notamment pour les réactions d'oxydation, comme celle de CO ou de certains COV. Les catalyseurs à l'or ont l'avantage de présenter une haute sélectivité, une bonne stabilité et un impact environnemental réduit. En dessous de 5 nm, l'or présente un grand nombre de sites de faible coordination, essentiels par exemple pour l'activation du dioxygène. Cependant d'autres paramètres sont influents sur la catalyse à l'or, comme la nature et les caractéristiques du support (des oxydes comme TiO2, ZrO2, CeO2, Al2O3…). Ils définiront à la fois l'état électronique des nanoparticules supportées, leur dispersion et leur résistance à l'agglomération thermique.
Les méthodes conventionnelles d'imprégnation utilisées pour la fabrication des catalyseurs supportés présentent des limitations dans le cas de l'or, car elles ne permettent pas en général d'obtenir une taille de nanoparticules compatible avec des catalyseurs actifs. Ainsi, des stratégies spécifiques doivent être développées pour optimiser les propriétés de l'or déposé sur un support donné. Dans ce contexte, le projet de thèse se concentre sur deux méthodes de synthèse de nanoparticules d'or supportées : une méthode chimique de Dépôt-Précipitation (DP) et d'autre part une méthode physique innovante d'Ablation Laser en Milieu Liquide (ALML). Les supports utilisés dans ce travail seront des supports réductibles comme la cérine dopée (Ce(Zr)O2) et l'oxyde de titane (TiO2) ou un oxyde non réductible comme l'alumine (Al2O3). L'objectif général de la thèse est de mieux comprendre les relations entre la taille des nanoparticules, la nature des interactions métal-support et l'activité catalytique pour des réactions modèles d'oxydation comme celle du CO et du propène.
A cette fin, il s'agira d'optimiser dans un premier temps les paramètres de synthèse des catalyseurs supportés. Ainsi, la méthode DP à partir d'un précurseur chloroaurique pourra être réalisée en présence de différents additifs (soude, urée…) afin de faire varier la teneur, l'état électronique et la distribution en taille des nanoparticules. Une étape de traitement thermique pourra s'avérer nécessaire pour réduire l'or. L'ALML, en revanche, utilise un laser et une cible métallique tournant à haute vitesse dans l'eau pure pour générer une solution d'or colloïdal, permettant d'obtenir des nanoparticules de très petite taille et sans contaminants. La suspension colloïdale sera ensuite immobilisée sur les supports. Une série de techniques de caractérisation sera utilisée pour l'analyse fine des propriétés physico-chimiques des catalyseurs obtenus, comme la SAA pour mesurer la teneur en or, la DRX et la spectroscopie UV-visible pour suivre la taille des nanoparticules et leurs propriétés plasmoniques. Des analyses supplémentaires, par spectroscopie XPS et microscopie électronique à transmission (TEM), permettront de mieux comprendre les interactions entre l'or et le support, et d'obtenir des informations sur la distribution des nanoparticules. Concernant les tests de performance, les températures de conversion et la sélectivité des catalyseurs (par exemple, pour la conversion du CO en CO2 ou l'oxydation du propène) seront mesurées sur un banc de test dynamique avec un système de détection/quantification par spectroscopie FTIR en phase gazeuse. Des corrélations seront établies avec la taille des nanoparticules, leur dispersion et leur spéciation.
Le projet, à cheval entre les équipes CDE et nanomatériaux du LCP-A2MC, vise ainsi à développer des catalyseurs à base d'or plus efficaces, plus sélectifs et résistants à la désactivation, en optimisant les techniques de préparation et en analysant finement les interactions métal-support pour améliorer leur performance dans diverses réactions chimiques.