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Ce travail de recherche se concentre sur la préparation de catalyseurs de site unique supportes sur matériaux carbonés et leur applicabilité aux réactions d'hydrogénation. Le chapitre 1 correspond à une revue complète des études expérimentales et théoriques visant à: i) préparer le SAC sur les matériaux carbonés, ii) comprendre les interactions métal-support dans le SAC, et iii) étudier comment cela est lié aux performances catalytiques. Dans le chapitre 2, nous avons pu comprendre la possibilité de produire différentes nanostructures Ru@fullerène qui peuvent être modulées nanométriquement en faisant varier les conditions lors de leur synthèse, solvant et rapport Ru/C60, à travers des nanoparticules (NP) bien définies à de très petits clusters et même des atomes simples (SA) avec une charge métallique élevée (~ 6-20% en poids). Nous avons appliqué ces nanostructures comme catalyseurs dans l'hydrogénation du nitrobenzène, constatant que Ru SA est moins efficace que Ru NP, performance qui a également été étudiée par des calculs DFT. Le chapitre 3 détaille un nouveau protocole simple pour la création de lacunes sur des supports carbonés. Nous proposons qu'il soit possible de créer des défauts/lacunes sur les supports par un processus contrôlé en deux étapes, qui comprend la subséquent création et décomposition de groupes oxygène sur la surface. La caractérisation magnétique a reflété la présence d'espèce réactive avec un comportement paramagnétique soulevant d'éventuels radicaux en surface. Par la suite, nous avons montré qu'il était possible d'utiliser de tels défauts comme point d'ancrage pour stabiliser avec succès des atomes métalliques (Ru, Pd, Pt, Ni, Cu, Co, Ir) avec une charge allant jusqu'à ~ 1,6% en poids. Aussi, en améliorant cette méthode, nous sommes arrivés à être capables de contrôler le rapport SA/NP pour un chargement métallique donné allant de 10 à 200. Chapitre 4, à travers une étude expérimentale-théorique combinée, nous fournissons une explication de l'influence de la structure caractéristiques des catalyseurs Pd/C pour l'hydrogénation d'alcène. Des nanoparticules de Pd hautement dispersées (PdNP) sont nécessaires pour activer le dihydrogène. Une concentration élevée de défauts de surface sur le support de carbone est nécessaire pour stabiliser les atomes simples de Pd (PdSA), qui coexistent avec le PdNP sur les catalyseurs Pd/C. Une concentration élevée de groupes de surface oxygénés est également nécessaire sur le support de carbone pour permettre le débordement d'hydrogène. Nous démontrons qu'une telle combinaison permet à une catalyse coopérative d'opérer entre PdNP et PdSA qui impliquent la formation d'espèces PdSA-H, qui sont beaucoup plus actives que PdNP-H pour l'hydrogénation d'alcène mais aussi l'isomérisation. [...]
This research work focuses on the preparation of carbon-based single atom (SA) catalysts and their applicability on hydrogenation reactions. Chapter 1 correspond to a comprehensive review over experimental and computational studies aiming at: i) preparing SAC on carbon materials, ii) understanding the metal-support interactions in SAC, and iii) studying how this relates to catalytic performances. In Chapter 2 we were able to understand the possibility of producing different Ru@fullerene nanostructures that can be nanometrically modulated by varying the conditions during their synthesis, solvent and Ru/C60 ratio, through well-defined nanoparticles (NP) to very small clusters and even single atoms (SA) with a high metallic loading (~ 6-20wt%). We applied these nanostructures as catalysts in the hydrogenation of nitrobenzene, finding that Ru SA is less efficient than Ru NP, performance that was also studied by DFT calculations. Chapter 3, details a new and straightforward protocol for the creation of vacancies over carbonaceous supports. We propose that is possible to create defects/vacancies over the supports by a controlled subsequent two-steps process, which comprises the subsequent creation and composition of surface oxygen groups. Magnetic characterization reflexed the presence of this reactive species with a paramagnetic behavior raising form possible radicals species on the surface. Afterwards, we showed that was possible to use such defects as anchoring point to successfully stabilize single metallic atoms (Ru, Pd, Pt, Ni, Cu, Co, Ir) with a loading up to ~ 1.6wt%. Also, by improving this method, we arrived to be capable to control the ratio SA/NP for a given metallic loading ranging from 10 to 200. Chapter 4, through a combined experimental-theoretical study, we provide an explanation of the influence of structural characteristics of Pd/C catalysts for alkene hydrogenation. Highly dispersed Pd nanoparticles (PdNP) are necessary to activate dihydrogen. A high concentration of surface defects on the carbon support is necessary to stabilize Pd single atoms (PdSA), which coexist with PdNP on Pd/C catalysts. A high concentration of oxygenated surface groups is also necessary on the carbon support to allow hydrogen spillover. We demonstrate that such combination allows a cooperative catalysis to operate between PdNP and PdSA that involve the formation of PdSA-H species, which are much more active than PdNP-H for alkene hydrogenation but also isomerization. Indeed, for myrcene hydrogenation activity variations of several orders of magnitude were measured as a function of the value of this ratio SA/NP. We show that the control of this ratio allows the development of a new generation of highly active catalysts integrating the ultra-rational use of precious metals in short supply. Finally, Chapter 5, focuses on the catalytic performance of SA catalysts in carbon dioxide hydrogenation. The results show highest activity for Pt as well as 99% selectivity to CO. On the other hand, Ru catalysts had highest selectivity to CH4

Les MXènes, matériaux bidimensionnels dérivés des phases MAX par élimination sélective de l'élément A (e.g. Al, Ga ou Si), présentent une large gamme de chimies et de potentielles applications catalytiques. Ces matériaux possèdent la formule chimique Mn+1XnTx, où M représente un métal de transition de début de série, X désigne C ou N, et Tx correspond aux groupements terminaux (e.g. -O, -OH, -F). Les catalyseurs à atomes isolés (SACs), composés d'atomes de métaux isolés sur des supports tels que les oxydes métalliques ou le carbone, présentent une efficacité atomique maximale et des propriétés électroniques remarquables par rapport aux nanocatalyseurs. Néanmoins, assurer leur stabilité reste un défi majeur. Les MXènes offrent une opportunité nouvelle d'ancrer des atomes métalliques et d'améliorer les performances catalytiques. Dans ce travail, nous avons étudié le potentiel des MXènes, en particulier les systèmes Ti3C2Tx et Mo2Ti2C3Tx, comme catalyseurs à part entière ou comme supports pour la stabilisation des SACs utilisés dans des réactions d'hydrogénation. Nous avons notamment mis l’accent sur la délamination et le désempilement des MXènes pour des applications de catalyse en phase gazeuse. Diverses techniques de caractérisation, telles que STEM et XPS, ont été employées.Notre étude a commencé par une évaluation de la stabilité d’atomes isolés de Pt et de Pd sur le MXène Ti3C2Tx, en utilisant la méthodologie classique d'imprégnation humide avec des sels chlorés comme précurseurs. Tout d'abord, l'impact de la méthode de préparation du MXène (HF versus LiF-HCl) sur la structure/composition de surface et l'état de dispersion/oxydation des métaux est dévoilé. Ensuite, les performances catalytiques d'hydrogénation de ces matériaux sont présentées. Tandis que le MXène seul est inactif, les SACs Pt/Ti3C2Tx, obtenus à faible teneur en métal, montrent une sélectivité en 2-butène exceptionnelle sans formation de butane, dans l'hydrogénation du butadiène, réaction ici considérée comme modèle. De plus, dans la réduction du CO2 en CO par réaction de gaz à l’eau inverse à haute pression – un procédé d’intérêt pour la production d’énergie propre –, ces catalyseurs montrent jusqu'à 99 % de sélectivité et une activité par mole de Pt accrue par rapport à des catalyseurs de référence supportés sur oxydes. Pour améliorer davantage les performances, nous avons considéré le MXène Mo2Ti2C3Tx, qui possède des propriétés d'hydrogénation intrinsèques. L'utilisation du précurseur Pt(NH3)4(NO3)2 a permis d'atteindre une charge en Pt plus élevée (jusqu’à 2,3 % en poids). Les SACs Pt/Mo2Ti2C3Tx montrent une activité catalytique supérieure à celle du MXène nu pour l'hydrogénation du CO2, produisant du CO et de plus petites quantités de méthane et de méthanol. Après imprégnation, les atomes isolés sont sous la forme Pt2+ et subissent une réduction lorsqu'ils sont soumis à un traitement thermique sous H2, substituant des atomes Mo en surface ou comblant des lacunes en Mo–comme montré par EXAFS. L'ajout de platine augmente l'activité du MXène en facilitant la dissociation du dihydrogène, comment le suggèrent les calculs DFT, mais a peu d'effet sur la sélectivité du SAC. Pour étudier la stabilité thermique des catalyseurs et leur évolution en conditions de réaction, des techniques de caractérisation avancées, incluant XRD in situ, TG-DTA-MS, XAS operando, NAP-XPS et expériences isotopiques, ont été employées. Le MXène Mo2Ti2C3Tx montre une haute stabilité thermique jusqu'à environ 600 °C sous flux d'argon ou d’hydrogène. À 400 °C sous H2, une fraction des ions MoIV subissent une réduction en MoII en raison de la défonctionnalisation de la surface. À 600 °C, une stœchiométrie Mo2Ti1.9C2.6O0.3, déficitaire en carbone, est obtenue. La formation de structures stables par ancrage des atomes de platine dans les plans de surface riches en molybdène, se produit à des températures approchant 200 °C, et induit une stabilité élevée des SACs en conditions de réaction
Two-dimensional materials attract considerable interest due to their distinctive properties. MXenes, derived from MAX phases through the selective etching of the A element (e.g. Al, Ga or Si), exhibit a wide range of chemistries and potential catalytic applications. These materials possess the chemical formula Mn+1XnTx, where M represents an early transition metal, X is either C or N, and Tx denotes surface terminations (e.g. -O, -OH, -F). Single-atom catalysts (SACs), which comprise isolated metal atoms on supports such as metal oxides or carbon, offer high atomic efficiency and possess distinctive electronic properties with respect to nanoparticulate counterparts. Nevertheless, ensuring their stability remains a significant challenge. MXenes present a renewed opportunity to anchor metal atoms and enhance catalytic performance. In this research work, we investigated the potential of MXenes, specifically Ti3C2Tx and Mo2Ti2C3Tx, as full-fledged catalysts or catalyst supports for the stabilization of single metal atoms employed in hydrogenation reactions. A particular focus was put on MXene delamination and unstacking via solid intercalation for effective application in gas-phase catalysis. Numerous characterization techniques were employed, including XPS, XRD, STEM, and SEM.The investigation started with an evaluation of the stability of Pt and Pd single atoms on Ti3C2Tx MXene, employing the conventional wet impregnation method with chloride salts as the precursors. First, the impact of the MXene preparation methodology (HF versus LiF-HCl etchants) on the surface structure/composition and metal dispersion/oxidation state is investigated. Second, the catalytic hydrogenation performances of these materials are presented. While the bare MXene is inactive, Pt/Ti3C2Tx SACs, obtained for low metal content, exhibit an exceptional selectivity towards 2-butene, with no butane formation, in the hydrogenation of butadiene, herein considered as a model reaction. Furthermore, in the reduction of CO2 to CO through reverse water-gas shift at high pressure, which is relevant to clean-energy applications, these catalysts demonstrate up to 99% selectivity and enhanced Pt-molar activity in comparison to oxide-supported references. To further enhance performance, we employed the Mo2Ti2C3Tx MXene, which possesses inherent hydrogenation properties, with the objective of exploiting the synergy between Pt atoms and surface carbidic Mo atoms. The use of the Pt(NH3)4(NO3)2 precursor enabled the achievement of a higher loading of atomically dispersed Pt (up to 2.3 wt%). The Pt/Mo2Ti2C3Tx SACs demonstrate remarkable catalytic activity for CO2 hydrogenation, even higher than the MXene alone, producing CO and smaller amounts of methane and methanol. Following impregnation, single Pt atoms bear a +2 charge like in the precursor, but undergo partial reduction upon exposure to H2 flow at 400 °C, thereby replacing surface Mo atoms or filling surface Mo vacancies – as supported by EXAFS. The addition of platinum increases the activity of the MXene mostly by facilitating H2 dissociation, as suggested by DFT modeling, but has little effect on the SAC selectivity. To investigate the thermal stability of the catalysts and their evolution under reaction conditions, advanced characterization techniques, including in situ XRD, TG-DTA-MS, operando XAS, NAP-XPS, and isotopic temperature-programmed experiments were employed. The Mo2Ti2C3Tx MXene exhibits high thermal stability up to ca. 600 °C under argon or hydrogen flow. At 400 °C under hydrogen, part of MoIV ions undergo reduction to MoII owing to surface defunctionalization. At 600 °C, a carbon-deficient stoichiometry of Mo2Ti1.9C2.6O0.3 is obtained. The formation of stable structures with anchoring of Pt single atoms, mostly in the Mo-rich surface layers, occur at temperatures approaching 200 °C. This leads to a high thermal stability of the SACs under reaction conditions

La réglementation européenne contre les émissions de gaz polluants émises par les véhicules est de plus en plus restrictive. Un des points d’amélioration des systèmes de dépollution actuels porte l’activité à basse température afin d’abattre la pollution émise lors des démarrages à froid. Ces travaux de thèse ont pour but de comprendre l’évolution d’un catalyseur Pt/CeO2 au cours de cycles redox pour ainsi augmenter ses performances pour l’oxydation de CO, C3H6 et NO notamment à basse température. L’activation la plus prometteuse pour l’oxydation du CO à basse température est la combinaison d’une réduction à 250 °C et d’une oxydation à température ambiante. La microscopie électronique à transmission a permis d’observer différents types de nanostructure du platine (particules 3D, rafts, atomes isolés) en fonction de la température du cycle redox. L’ensemble des caractérisations (Raman, TEM, TPR, chimisorption de CO, XANES, XPS) indique que le site actif pour l’oxydation du CO à basse température est constitué d’une monocouche de Pt (raft), incluant des cations Pt2+. Pour l’oxydation du propène et du NO de plus grosses particules (>2 nm) sont nécessaires pour de meilleures performances. La dynamique de formation et de redispersion des particules de platine d’un catalyseur Pt/CeO2 sous l’impact de séquences redox permet de construire des sites actifs pour l’oxydation du CO à basse température
European regulation against cars’ pollution is more and more tough. Car’s constructors have to develop new solutions to limit the impact on the population. One possible improvement for the actual depollution systems is to start the catalysis at low temperature to reduce the pollution from cold start. The major objective of this thesis’ research has been to understand the evolution of the catalyst Pt/CeO2 during several REDOX cycles in order to improve the oxidation performances of CO, C3H6 and NO at low temperature. To simulate NOXTRAP conditions, gas pulses of rich and lean atmosphere have improved catalytic performances for CO oxidation. In situ characterization aren’t compatible with these kind of activation. Therefore, REDOX sequences have been established with 1 h under reductive atmosphere and 1 h under oxidative atmosphere. Three kind of configurations for the Pt atoms have been observed by MET after theses kind of sequences in function of the temperature: 3D Nps, raft and single atoms. By using various characterization technics: Raman, TPS, CO chemisorption, XANES, XPS, the results demonstrate that the most effective site come from the probable cluster Pt8O14. In this configuration the platinum is in Pt2+ electronic stat with Pt-O-Pt bonds. On this kind of particles, Mars-Van Krevlen mechanism isn’t applicable for CO oxidation. For NO and propene bigger particles are needed for improve performances. The dynamics of formation and dispersion of the particles led to the build of optimum dispersity for the reactions of oxidation and the use of REDOX of activation leads successfully to the formation of active Pt/CeO2 catalyst

L'étude expérimentale des surfaces de Cu par diffraction d'hélium à basse énergie permet de déterminer un potentiel d'interaction atome-surface. On peut déterminer la densité électronique en surface. Développement d'un formalisme de diffusion d'atomes neutres par les surfaces avec défauts isolés. La solution exacte est décrite sous forme de série de perturbation. En prenant une distribution aléatoire de défauts, les sections efficaces de diffusion calculées au 2ème ordre de perturbation pour des lacunes sur Cu(100) et Cu(110) et des atomes d'hydrogène adsorbés sur Cu(110) sont comparables a celles mesurées.

La valorisation de la lignine par pyrolyse produit des bio-huiles à haute teneur en oxygène. Ces bio-huiles sont valorisées par hydrodésoxygénation (HDO) pour obtenir des molécules non-oxygénées. Notre étude vise à élaborer de nouvelles catalyseurs en combinant les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et les études expérimentales. L'HDO peut se faire suivant l'hydrogénation du cycle aromatique avant la rupture C-O (HYD) ou la rupture directe du C-O, désoxygénation directe (DDO). Le Fe/silice montre une bonne activité et sélectivité en aromatiques. Ainsi, nous développons ce type des catalyseurs afin de favoriser la voie DDO, augmenter la production d’aromatiques et limiter la consommation d’H2. Les énergies d'adsorption du phénol et de molécules inhibitrices sur les surfaces de silice, ayant différentes densités et types de silanols, ont été obtenues par DFT. Trois modes d'interaction du phénol ont été étudiés: O-perpendiculaire, π-plat et O-plat. Sur la silice amorphe, des énergies d'adsorption plus élevées ont été mises en évidence pour le mode O-plat, et une interaction spécifique de 120 kJ/mol (liaison C-Si et déformation du phénol) est observée. La compétition du CO est négligeable sur toutes les surfaces, ce qui rend la silice plus attractive que les catalyseurs sulfurés. Par conséquent, ces résultats motivent la synthèse de catalyseurs sur silice avec une densité de silanol allant de 2 à 4 OH/nm2. Des "Single Atom Catalysts SACs" de Fe/silice ont été élaborés en utilisant des tensioactifs non-ioniques/métalliques. La distribution des atomes de fer dans les micelles mixtes P123/CTAF permet la dispersion fine de ces atomes sur les mésopores de la silice. L'absence d'agrégats de fer a été confirmée par les mesures synchrotrons PDF, RMN, magnétiques, et STEM. Les calculs DFT+U ont confirmé que ces atomes sont principalement du Fe(III) à haut spin. Cette méthode augmente le nombre de sites actifs, ce qui améliore la performance catalytique. Cependant, les résultats catalytiques n’ont pas été satisfaisants à cause de la difficulté à réduire le Fe(III).Les catalyseurs Fe et bimétalliques Fe-Cu synthétisés par imprégnation ou co-précipitation avec décomposition thermale d'urée ont été testés pour l’HDO du guaiacol. Fe-Cu/SiO2 présente une meilleure performance (90% conversion, 70% sélectivité) que les catalyseurs Fe car l’incorporation de cuivre facilite la réduction du fer
Lignin pyrolysis produces oxygenated bio-oils with poor fuel efficiency. Hence, they are upgraded through hydrodeoxygenation (HDO) leading to the production of oxygen-free molecules and water as by-product. Our objective is to elaborate new catalysts for HDO by combining Density Functional Theory (DFT) calculations with experimental studies. HDO includes two deoxygenation routes: hydrogenation of aromatic ring before C-O cleavage (HYD) or direct C-O cleavage - Direct DeOxygenation (DDO). Fe@silica catalysts show a good activity and selectivity toward aromatics. Thus, our work focused on designing such catalysts that promote DDO in order to increase aromatics production under lower H2 pressure. The adsorption energies of phenol and inhibitors (CO and water) over silica surfaces, having various silanol densities and types, were computed by DFT. Three interaction modes were investigated: “perpendicular O-int”, “flat π-int”, and “flat O-int”. For amorphous silica, the highest adsorption energies were found for the “flat O-int” mode, and a specific interaction of 120 kJ/mol (with a C-Si bond and phenol deformation) was observed for surfaces with a silanol density between 2 and 3.3 OH/nm2. CO competitive adsorption is negligible for all silica surfaces, which make them more attractive than conventional sulfide catalysts. Hence, these results motivated the synthesis of silica-supported catalysts with a silanol density between 2 and 4 OH/nm2. Single iron atom catalysts (SACs) supported on silica were elaborated using non-ionic/metallic surfactants. Iron distribution within mixed P123/CTAF micelles, used as templates, allows the fine dispersion of those atoms within silica mesopores. The lack of iron clusters was confirmed by synchrotrons PDF, STEM mapping, magnetic and NMR measurements. DFT+U calculations confirmed that those atoms are predominately present as high spin Fe(III). This method increases the number of active sites, which improves the catalytic performance. However, the results of catalytic tests were unsatisfactory due to the difficulty of Fe(III) reduction. Metallic (Fe & Cu) and bimetallic (Fe-Cu) catalysts, synthesized by simple impregnation or through the co-precipitation method with thermal decomposition of urea, were tested for guaiacol HDO conversion. Results proved that bimetallic Fe-Cu have a better performance (90% conversion, 70% selectivity) than Fe-based catalysts since Cu incorporation facilitates the reduction of Fe(III)