Influence de l'atmosphère réactive sur la stabilité structurale de catalyseurs Pt1 supporté et performances associées en oxydation de CO et photogénération d'hydrogène

Influence of the reactive atmosphere on the structural stability of supported Pt1 catalysts and related performance in CO oxidation and hydrogen photogeneration

• Auteur / Autrice : Caroline Dessal
• Direction : Christian-Laurent Piccolo, Jean-Luc Rousset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Catalyse
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• 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 : Arnaud Brioude
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian-Laurent Piccolo, Jean-Luc Rousset, Suzanne Giorgio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Florence Epron, Xavier Carrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Clusters (chimie)

Catalyse hétérogène

Mots clés libres

Catalyse hétérogène

Single-atom catalysts

Nanoclusters

Pt/Al2O3

Pt/TiO2

Spectroscopies operando

ETEM

DFT

Heterogeneous catalysis

Single-atom catalysts

Nanoclusters

Pt/Al2O3

Pt/TiO2

ETEM

DFT

Operando spectroscopies

Résumé

Ce travail de thèse a consisté en l’étude de catalyseurs ultradispersés, composés de clusters nanométriques ou d’atomes isolés (single-atom catalysts, SACs) de métal, une nouvelle classe de catalyseurs faisant actuellement l’objet d’un engouement mondial. Les systèmes Pt/?-Al2O3 et Pt/TiO2 ont été préparés, caractérisés et testés en oxydation de CO et photogénération d’hydrogène, respectivement. Plusieurs méthodes d’imprégnation et de traitement thermique ont été comparées, notamment grâce à l’analyse de la dispersion du platine par microscopie électronique en transmission à balayage (STEM). Pour la préparation de SACs, notre choix s’est finalement porté sur l’imprégnation à humidité naissante d’une faible charge de précurseur Pt(NH3)4(NO3)2, suivie d’une calcination à l’air. L’étude des performances catalytiques et de l’évolution structurale des catalyseurs au cours des réactions a permis de montrer que les atomes isolés (cations) de platine étaient moins actifs que les clusters (réduits) pour les deux systèmes catalytiques étudiés. Dans le cas de Pt/?-Al2O3, des suivis par spectroscopie d’absorption X (XAS) operando en rayonnement synchrotron, spectroscopie infrarouge par réflexion diffuse (DRIFTS) operando et microscopie environnementale (E-STEM) ont montré la formation et la déstabilisation des SACs, cette dernière étant toutefois moindre en conditions oxydantes. En effet, l’oxygène stabilise le platine isolé via la formation de plusieurs liaisons Pt-O-Al comme montré par modélisation DFT, alors que la présence d’un composé réducteur (CO, H2) conduit à la formation de clusters, mobiles sur leur support. Ce travail met en évidence les limites possibles concernant la stabilisation et la mise en œuvre des SACs dans des réactions catalytiques impliquant des conditions réductrices

This PhD work is focused on the study of ultradispersed catalysts, composed of nanometer-sized clusters or isolated atoms (single-atom catalysts, SACs) of metal, a new class of catalysts which are currently the object of worldwide interest. The Pt/?-Al2O3 and Pt/TiO2 systems were prepared, characterized and evaluated for CO oxidation and hydrogen photogeneration, respectively.Several methods of impregnation and thermal treatment were compared, in particular through platinum dispersion analysis using scanning electron microscopy (STEM). For the preparation of SACs, our choice finally turned to the incipient wetness impregnation of Pt(NH3)4(NO3)2 precursor at low loading, followed by calcination in air.For the two catalytic systems of interest, the study of the performances and the structural evolution of the catalysts during the reactions shows that isolated Pt atoms (cations) are less active than their (reduced) cluster counterparts.In the case of Pt/?-Al2O3, operando X-ray absorption spectroscopy (XAS) using synchrotron radiation, operando diffuse reflectance infrared spectroscopy (DRIFTS), and environmental microscopy (E-STEM) allowed us to monitor the SAC formation and destabilization, the latter being however limited in oxidizing conditions. Indeed, the presence of oxygen stabilizes single Pt atoms via the formation of several Pt-O-Al bonds as shown by DFT modeling, whereas the presence of a reducing compound (CO, H2) leads to the formation of Pt clusters, mobile on their support.This work highlights the possible limitations in the stabilization and implementation of SACs for catalytic reactions involving reducing conditions