Modélisation moléculaire des nanoparticules bimétalliques AuCu sous gaz réactif

par Marwa Dhifallah

Thèse de doctorat en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de Francesco Di Renzo et de Adnene Dhouib.

Le président du jury était Werner Paulus.

Le jury était composé de Francesco Di Renzo, Adnene Dhouib, Werner Paulus, Dominique Costa, Brahim Ayed, Fayçal Raouafi, Noureddine Raouafi, Hazar Guesmi.

Les rapporteurs étaient Dominique Costa, Brahim Ayed.


  • Résumé

    Ce travail de thèse est dédié à l’étude théorique de l’effet de l'environnement sur les nano-catalyseurs AuCu. Ainsi dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la stabilité du système bimétallique AuCu, modélisé sous forme de surfaces semi-infinies, de nanoparticules libres et de nanoparticules supportées, a été examinée en présence et en absence de gaz réactif. Du point de vue thermodynamique, et sous conditions de vide, la ségrégation de l’or en surface est favorisée, en partie grâce à sa plus faible énergie de surface comparée à celle du cuivre. En revanche, en présence de molécules de gaz (CO, NO ou O2), les résultats montrent une ségrégation inversée, du cuivre vers la surface et de l’or vers le volume. Ces résultats confirment et expliquent les observations expérimentales et permettent aussi de prédire la localisation du cuivre à la surface de l’alliage en présence de chaque environnement gazeux. Sur les surfaces, l’étude énergétique de l’anisotropie de ségrégation (c'est-à-dire la force de ségrégation pour chaque type de terminaison de la surface) montre une ségrégation préférentielle de Cu vers la surface (110) en présence de gaz. L’analyse de la structure électronique issue des calculs de la densité d’état et des distributions de charges met en évidence des caractères très différents pour les molécules de gaz et donc des effets différents sur l’alliage AuCu, à savoir un caractère local pour CO, semi-local pour NO et complètement singulier dans le cas de O2.Sous forme de nanoparticule (cuboctaèdre de 38 atomes), l’étude de l’évolution de la stabilité de AuCu en fonction de la teneur en Au et pour différents types d’alliages (cœur-coquille, alliage régulier, peau-cœur) a été effectuée grâce aux calculs de l’énergie de surface. Les résultats révèlent l’existence d’une relation linéaire entre la composition chimique et la stabilité de AuCu. En outre, à partir d’une teneur en Au de 20%, les nano-alliages bimétalliques AuCu se révèlent plus stables que les composantes Au et Cu pures. En présence de gaz, un modèle thermodynamique qui prend en compte l’adsorption des molécules de CO a été développé pour prédire le diagramme de stabilité en fonction de la température et de la pression de CO. Les résultats montrent l’instabilité des nanoparticules de Cu sous pression de gaz et prédisent une composition critique en Au (15%) à partir de laquelle l’alliage AuCu devient stable sous gaz réactif. Ces résultats sont en parfait accord avec des résultats expérimentaux récemment publiés.Enfin, l'effet du support oxyde a été soigneusement étudié en considérant l’interaction des nanoparticules AuCu sur la surface de TiO2(100) anatase. L’analyse des composantes énergétiques (énergies de dépôt, énergies d’interaction, etc ..), des effets géométriques (déformations de la nanoparticule et du support) et des propriétés électroniques (transferts de charges) ainsi que l’étude de la réactivité ont permis de comprendre le comportement de l’alliage supporté et d’évaluer l’effet du support anatase, pas du tout le même en fonction de la structure et de l’ordre chimique de la nanoparticule considérée.

  • Titre traduit

    Molecular modelling of bimetallic Au-Cu nanoparticles under reactive gas


  • Résumé

    This thesis is devoted to the theoretical description of the effect of the environment on AuCu nanocatalysts. In the framework of density functional theory (DFT), the stability of the AuCu bimetallic system, modeled as semi-infinite surfaces, free nanoparticles and supported nanoparticles, was studied in the presence and in the absence of reactive gas. From a thermodynamic point of view, and under vacuum conditions, the segregation of gold at the surface is favored, which is due, in part, to its lower surface energy compared to that of copper. However, in the presence of gas molecules (CO, NO or O2), the results show an inverted segregation, of copper towards the surface and of gold towards the bulk. These results confirm and explain the experimental observations and also make it possible to predict the localization of the copper on the surface of the alloy in the presence of gas environment.Over the AuCu surfaces, the energetic study of segregation anisotropy (i.e. the segregation forces versus surface terminations) shows preferential segregation of Cu toward the (110) surface, in the presence of gas. The analyses of the electronic structure from the calculation of density of states and charge distributions reveal very different characters of gas molecules and therefore different effects on the AuCu alloy, namely a local character for CO, semi-local for NO and a completely different behavior for the case of O2.In the form of nanosized particle (truncated cuboctahedron of 38 atoms), the AuCu stability as a function of Au content and for different alloy types (core-shell, regular alloy, skin-heart) was investigated by considering surface energy calculations. The results reveal the existence of a linear relationship between the chemical composition and the stability of AuCu. In addition, for Au content equal and beyond 20%, the AuCu bimetallic nano-alloys are found to be more stable than the pure Au and Cu components. In the presence of gas, a thermodynamic model that takes into account the adsorption of CO molecules was developed to predict the stability diagram as a function of temperature and CO pressure. The results show the instability of Cu nanoparticles under gas pressure and predict a critical composition in Au of about 15% from which the AuCu nanoalloys become stable. These results are in full agreement with recent experimental reports.Finally, the effect of the oxide support has been carefully investigated by considering the adsorption of AuCu nanoparticles over TiO2 (100) anatase surface. The analysis of energetic components (deposition and interaction energies etc.), geometric effects (nanoparticle and support deformations) and electronic properties (charge transfers) as well as the study of the reactivity, made it possible to understand the behavior of the supported nanoalloys and to evaluate the effect of the anatase support; not at all the same depending on the structure and the chemical order of the considered nanoparticle.

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