Thermodynamique de surface et réactivité du nanoalliage CU-AU par microscopie électronique en transmission environnementale en condition gazeuse

Surface thermodynamics and reactivity of Cu-Au nanoalloy by environmental transmission electron microscopy under gaseous condition

• Auteur / Autrice : Adrian Chmielewski
• Direction : Christian Ricolleau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Piquemal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Ricolleau, Duncan Alexander, Williams Lefebvre, Hazar Guesmi, Laurent Delannoy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Duncan Alexander, Williams Lefebvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Nanoparticules d'or

Microscopie électronique en transmission

Catalyse hétérogène

Or -- Alliages

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoparticules

Nanoalliage

Cu-Au

Catalyse hétérogène

Microscopie électronique en transmission environnementale

ETEM

Nanoparticle,

Nanoalloy

Cu-Au

Heterogeneous catalysis

Environmental transmission electron microscopy

ETEM

Résumé

Le nanoalliage cuivre-or (CuAu) pour la catalyse hétérogène fait l'objet d'un intérêt grandissant de la communauté scientifique. En effet, l'alliage de l'or, réputé être un élément stabilisateur, avec le cuivre, réputé très actif notamment vis-à-vis de l'oxygène, offre de très grandes possibilités, tant dans les réactions d'oxydation tel que l'oxydation du monoxyde de carbone, mais aussi dans les réactions d'hydrogénation, telle que l'hydrogénation sélective du butadiène. L'un des processus déterminant dans les réactions d'oxydation et d'hydrogénation est le processus d'adsorption et de dissociation des molécules d'O2 et de H2 par le catalyseur. Afin d'avoir une meilleure compréhension des processus mis en jeu, il est nécessaire d'identifier les sites actifs où a lieu l'adsorption et la dissociation éventuelle des molécules, mais aussi des mécanismes mis en jeu lors de ces processus. Mais aujourd'hui, il n'existe pas de consensus général, dans la communauté scientifique, concernant la localisation des sites actifs. C’est dans ce contexte que s’inscrit ce travail de thèse, mené au laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ) au sein de l'équipe Microscope électronique Avancée et NanoStructures (Me-ANS) dirigé par le professeur Christian Ricolleau. Les deux problématiques majeures auxquelles nous nous sommes intéressées sont (i) la stabilité structurale et morphologique des nanoparticules de Cu, Au et de Cu-Au dans le vide et en température et ce sur différents supports tels que le nitrure de silicium amorphe et le rutile-TiO2, (ii) la stabilité structurale et morphologique des nanoparticules de Cu, Au et de Cu-Au supportées sur rutile-TiO2, sous atmosphère de gaz oxydant (O2) et réducteur (H2). Les objectifs étant d'identifier les sites d'adsorption éventuels des molécules d'O2 et de H2 par les catalyseurs, et de mieux comprendre les mécanismes qui conduisent à l'évolution morphologique de ceux-ci en milieu réactif.

: Copper-gold nanoalloy (CuAu) for heterogeneous catalysis is of increasing interest in the scientific community. Indeed, the alloy of gold, known to be a stabilizing element, with copper, known to be very active with respect to oxygen particularly, shows interesting catalytic properties, in oxidation reactions such as oxidation of carbon monoxide, but also in hydrogenation reactions, such as the selective hydrogenation of butadiene. One of the rate determining step in oxidation and hydrogenation reactions is the process of adsorption and dissociation of O2 and H2 molecules by the catalyst. In order to have a better understanding of the processes involved, it is necessary to identify, the active sites where the eventual adsorption and dissociation of the molecules takes place, but also the mechanisms involved during these processes. However today, there is no general consensus in the scientific community towards the location of the active sites. It is in this context that this thesis work, conducted in the laboratory Materials and Quantum Phenomena (MPQ) within the team Advanced Electron Microscope and NanoStructures (Me-ANS) led by Professor Christian Ricolleau. The two major issues we have been interested in are (i) the structural and morphological stability, in vacuum and with temperature, of Cu, Au and Cu-Au nanoparticles deposited on different substrates such as amorphous silicon nitride and rutile -TiO2 nanorods, (ii) the structural and morphological stability of Cu, Au and Cu-Au nanoparticles supported on rutile-TiO2 under oxidizing (O2) and reducing (H2) atmospheres. The main goals being to identify the possible adsorption sites of the O2 and H2 molecules by the catalysts, and to better understand the mechanisms that lead to the morphological evolution of these NPs in a reactive medium.