Chimie des précurseurs de nouveaux triazinures métalliques : élaborations en solution et en phase gazeuse de nanomatériaux de Fe et Al13Fe4

Precursor chemistry of novel metal triazenides : Solution and vapor phase elaborations of Fe and Al13Fe4 nanomaterials

• Auteur / Autrice : Khaled Soussi
• Direction : Stéphane Daniele, Shashank Mishra
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 27/01/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Santini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Constantin Vahlas, Christophe Darcel, Amandine Cabiac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Denat, Elisabeth Blanquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Dépôt en phase vapeur par organométalliques

Précurseurs

Nanoparticules

Mots clés libres

Al13Fe4

Triazidures

Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD)

Précurseurs

Nanoparticules

Al13Fe4

Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD)

Triazenides

Nanoparticles

Precursors

Résumé

La production de polyéthylène par la polymérisation de l'éthylène est un procédé industriel de grande importance. L'éthylène, issue de la pétrochimie contient des impuretés d'acétylène (1%), ce qui empoisonne le catalyseur de polymérisation, et donc le besoin d'un catalyseur qui soit sélectif pour hydrogéner l'acétylène en éthylène. Le composé intermétallique Al13Fe4 a été développé par Armbuster et al. en 2012 comme un catalyseur actif et sélectif pour la semi-hydrogénation de l'acétylène pour la production de polyéthylène. Il présente une structure cristalline avec des distances interatomiques Fe-Fe élevées et un faible nombre de coordination des atomes de fer, qui tombe sous le concept de "site isolation principle". Ce composé est également intéressant en raison de son faible coût (sans métaux nobles par rapport à Pd /Al2O3 catalyseurs industriels) et une faible toxicité. Cependant, il a été produit sous la forme de poudre non supportée par la méthode Czochralski ce qui limite son utilisation dans le domaine du génie catalytique. Dans ce contexte, supporter le catalyseur présente de nombreux avantages comme la facilité de séparation du catalyseur hétérogène à partir du mélange réactionnel obtenue par une variété de procédés telle que la filtration par exemple. Un autre avantage des catalyseurs supportés est la plus grande surface exposée du catalyseur ou dispersion. Etant donné que la catalyse est une réaction de surface, maximiser la surface d'un catalyseur, en le dispersant sur le support améliorera / optimisera l'activité catalytique. Les procédés de "chimie douce" dénommés Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) et Metal Organic Deposition (MOD) sont réputés pour être efficaces et économiquement compétitifs pour déposer des nanoparticules ou des films minces, à partir de précurseurs moléculaires appropriés. Notre travail vise donc à développer Al13Fe4 sous forme de films ou de nanoparticules supportées par MOCVD. La première étape pour atteindre cet objectif est le développement des précurseurs moléculaires d'aluminium métallique et de fer, dans des conditions compatibles suivies par codépôt ou dépôt séquentiel des deux précurseurs de Fe et Al pour former le composé intermétallique dans la bonne stœchiométrie. Parmi les nombreux précurseurs d'Al, le diméthyl ethylaminealane (DMEAA, [AlH3(NMe2Et)]) est utilisé en raison de sa pression de vapeur importante et des températures de dépôt faibles. En outre, l'absence de liaisons Al-O et Al-C conduit à la production de films sans impuretés carbone et oxygène. Cependant, des précurseurs moléculaires de fer pour le dépôt pour MOCVD de films de fer purs sont rares et moins développés. En dehors du pentacarbonyle de fer qui produit des films de fer pur, amidinates et guanidinates sont utilisés comme précurseurs de fer. Cependant, l'oxygène et des carbures sont présents dans des pourcentages élevés. Ainsi, l'objectif principal de ce travail de thèse est de concevoir et de synthétiser de nouveaux complexes moléculaires de fer qui servent de précurseurs pour la MOCVD. Dans ce travail, des nanoparticules de composé intermétallique Al13Fe4 sont préparées par réduction en solution et des films par dépôt séquentiel MOCVD en utilisant DMEAA et Fe(CO)5 en tant que précurseurs moléculaires. Les propriétés catalytiques ont été étudiées et ont montré d'une activité très peu active dans la réaction d'hydrogénation de l'acétylène: moins de 1% avant de se désactiver rapidement. La régénération sous hydrogène ou sous oxygène n'a qu'une faible restauration de l'activité. Les tests catalytiques ont été encore étendus à Al13Fe4 poudre préparée par réduction en solution ainsi que Al13Fe4 en poudre commerciale et a constaté que Al13Fe4 était non catalytiquement actif sous toutes ses formes (dans nos conditions de réaction)

Polyethylene production from the polymerization of ethylene is an industrial process of great importance. Ethylene stream for the polymerization of polyethylene is produced by the steam cracking of a wide range of hydrocarbon feedstock and usually contains acetylene impurities (1%) which poison the polymerization catalyst. The ethylene steam has to be purified by the selective semi-hydrogenation of acetylene which requires a catalyst with high selectivity to hydrogenate acetylene to ethylene. The intermetallic compound Al13Fe4 was introduced in 2012 by Armbuster et al. as an active and selective catalyst for the semi-hydrogenation of acetylene for polyethylene production. It has a crystal structure with high average inter-atomic distances Fe-Fe and a low coordination number of iron atoms, which falls under the concept of "site isolation principle". This compound is also attractive because of its low cost (without any noble metals compared to Pd/Al2O3 industrial catalysts) and low toxicity. However, it has been produced in the form of unsupported powder by the Czochralski method which limits its use in catalytic engineering. In this context, supporting the catalyst presents many advantages as the ease of separation of the heterogeneous catalyst from the reaction mixture. In contrast to homogeneous catalysts in which separation is often costly and difficult, separating the supported heterogeneous catalyst can be achieved by a variety of methods such as filtration for example. Another advantage of supported catalysts is the higher surface area of the catalyst. Since catalysis is a surface reaction, consequently, maximizing the surface area of a catalyst by distributing it over the support will enhance/optimize the catalytic activity.Chemical synthetic routes such as Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) and Metal Organic Deposition (MOD) referred as “Chimie douce” process are reputed to be flexible and economically competitive methods to prepare nanoparticles or thin films. Our work is thus aimed at developing Al13Fe4 as supported films or nanoparticles by MOCVD and/or MOD. The first step to meet our objective is the development of compatible molecular precursors of metallic aluminum and iron followed by MOCVD or MOD of those precursors to form the intermetallic compound in the good stoichiometry. Among the numerous aluminum MOCVD precursors used in the literature, dimethyl ethylamine alane (DMEAA, [AlH3(NMe2Et)]) is used due to its properties such as high vapor pressure and low deposition temperatures. Moreover, the absence of Al-O and Al-C bonds leads to the production of carbon and oxygen free films. However, iron molecular precursors for the MOCVD of pure iron films are scarce and less developed. Apart from iron pentacarbonyl that produces pure iron films, amidinates and guanidinates are used as iron precursors. However, oxygen and carbides impurities are present in high percentages. Thus the main objective of this Ph-D work is to design and synthesize novel and original iron molecular complexes that serve as precursors for the low temperature MOCVD of iron films. In this Ph-D work, nanoparticles of the intermetallic complex were prepared via solution reduction of novel Fe triazenide precursors and Al metal. Supported films were also prepared via sequential MOCVD by using DMEAA and Fe(CO)5 as molecular precursors. Its catalytic properties have been explored and showed that it is very little active in the hydrogenation reaction of acetylene. Regeneration under hydrogen or oxygen was not very successful and only some activity restored. The catalytic tests have been further extended to Al13Fe4 powder prepared by solution reduction as well as to commercial Al13Fe4 and found that Al13Fe4 was inactive catalytically in all forms (in our conditions of reactions)