Thèse soutenue

Investigations théoriques de propriétés électroniques de clusters atomiques sous leurs formes libre et adsorbée sur un substrat de graphène dopé

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Auteur / Autrice : Rui Li
Direction : Philippe Carbonnière
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique Chimie
Date : Soutenance le 11/10/2016
Etablissement(s) : Pau
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)

Mots clés

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Résumé

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Les (sub)nanoclusters sont des agrégats d’atomes ou de molécules composés de quelques unités à quelques centaines d’unités. En raison de leur petite taille, ils peuvent avoir des propriétés électroniques, optiques, magnétiques et catalytiques très différentes par rapport au solide correspondant . D'un point de vue expérimental, il est encore très difficile de synthétiser des agrégats de taille calibrée. D'un point de vue théorique, le développement des puissances de calcul, des méthodes de calcul de structure électronique et des algorithmes de recherches globales de structures stables, permettent un calcul toujours plus précis de leurs propriétés physico-chimiques. L’étude théorique permet alors de déterminer de façon fiable les structures stables de ces systèmes qui président aux calculs de leurs propriétés . L’exemple qui illustre ce travail s’inspire du processus observé au sein des piles à combustible dans lequel le Platine (Pt) est couramment utilisé pour produire de l’énergie par oxydation du dihydrogène en favorisant notamment sa dissociation . L’objet de ce travail consiste à comparer la capacité des clusters de Platine de différentes tailles à adsorber la molécule de dihydrogène sous leur forme libre et adsorbée sur substrat. Le graphène , matériaux bidimensionnel cristallin formé de carbone est choisi dans ce travail en tant que substrat en raison de sa grande résistance mécanique et chimique. La première partie de ce travail est consacrée à la recherche d’éléments dopants qui vont permettent à la fois d’améliorer la capacité d’adsorption des clusters de Platine sur la surface et éviter leur migration. L’objectif est ici de proposer un substrat sur lequel peuvent être empêchés les phénomènes d’agglomération, de dissolution et de détachement du cluster qui ainsi limiteraient son efficacité catalytique . Des dopages de la surface, tel qu’ils sont réalisables expérimentalement , par l’Azote, le Bore et le Nitrure de Bore, par substitution atomique et avec ou sans considération préalable de lacunes, ont été étudiés. La seconde partie correspond à l’implémentation dans le code GSAM (Global Search Algorithm of Minima - algorithme de recherche globale de minima) développé au laboratoire , , des éléments qui permettent la recherche de structures de plus basse énergie de clusters moléculaires adsorbés sur substrat, tels que les systèmes [H2-Ptn-Graphène dopé] de cet exemple. La troisième partie concerne l’illustration de la fiabilité de la méthode de recherche globale employée et de la qualité de quelques méthodes de calcul de l’énergie moléculaire (DFT et GUPTA) vis-à-vis de résultats mentionnés dans la littérature sur les clusters de Platine. La dernière partie comporte l’investigation structurale des systèmes [H2-Ptn] et [H2-Ptn-Graphène dopé] pour différentes tailles de clusters allant de n=6 à n=20. La variation de l’énergie d’adsorption de H2 sur les clusters libres et supportés ainsi que celle du cluster moléculaire sur le substrat en fonction de la taille est reportée.