Développement de nanoparticules de ruthénium comme modèles de catalyseurs pour le craquage de l'eau : approches expérimentale et théorique

Development of ruthenium nanoparticles as catalyst models for the splitting of water : combination of experimental and theoretical chemistry approaches

• Auteur / Autrice : Roberto Gonzalez Gomez
• Direction : Karine Philippot, Romuald Poteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie organométallique de coordination
• Date : Soutenance le 11/04/2019
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Chimie

Craquage

Catalyseurs au ruthénium

Mots clés libres

Ruthénium

Nanoparticules

Chimie organométallique

Chimie de coordination

Titrage DFT

Cartographie de surface

Echange de ligands

Hydrogène

Catalyse

Craquage de l'eau

Ruthenium

Nanoparticles

Organometallic Chemistry

Coordination Chemistry

DFT titration

Surface mapping

Ligand exchange

Hydrogen

Catalysis

Water splitting

Résumé

Cette thèse s'inscrit en amont de la problématique de production d'hydrogène (H2) à partir de l'eau. Les réactions impliquées (oxydation de l'eau, WOR et réaction d'évolution de l'hydrogène, HER) requièrent des catalyseurs tels que des nanoparticules (NPs) métalliques. Cette catalyse peut être photoactivée en associant un photosensibilisateur (PS) aux NPs conduisant à des hybrides PS-NPs. Un tel assemblage peut se faire via des groupements acides carboxyliques. Ce travail de doctorat repose sur la combinaison d'outils expérimentaux et théoriques en vue de développer de nouveaux nanocatalyseurs au ruthénium. Notre contribution a consisté à définir une cartographie précise de la surface de Ru NPs stabilisées par des acides carboxyliques avec des chaînes alkyles de longueur différente comme systèmes modèles de catalyseurs PS-NPs pour la photoproduction d'H2 à partir d'H2O. Parmi les principaux objectifs était visée une meilleure compréhension des relations structure/propriétés à l'échelle nanométrique afin d'expliquer les propriétés de surface des NPs et leur viabilité catalytique. Les RuNPs ont été synthétisées par voie organométallique à partir du complexe [Ru(COD)(COT)] comme source de Ru et des acides carboxyliques (éthanoïque, pentanoïque et octanoïque) comme stabilisants. Cette méthode permet la formation de NPs bien contrôlées, fournissant ainsi des systèmes de choix pour des études comparatives fines. Des populations homogènes de RuNPs de taille 1.1 à 1.7 nm ont été obtenues. L'état de surface des NPs a été sondé par différentes techniques analytiques (IR, RMN et WAXS). L'optimisation du ratio [ligand) / [Ru] a permis de disposer de NPs de tailles similaires, et donc de systèmes comparables quel que soit l'acide carboxylique utilisé. Des calculs DFT ont été effectués en parallèle sur un modèle de NP Ru55, dont certains ont alimenté un modèle thermodynamique permettant de s'approcher des conditions expérimentales de température, de pression et de concentration. Une analyse systématique des propriétés des liaisons, des charges atomiques et des états électroniques (DOS, COHP, MPA) a été réalisée. Les calculs des modes de vibration des modèles à base de Ru55 et des déplacements chimiques RMN de clusters [Ru6] ont corroboré et facilité les attributions spectroscopiques expérimentales. Les données spectroscopiques et des études mécanistiques DFT ont montré que les acides carboxyliques interagissent sur la surface métallique sous forme carboxylate. En bon accord, les titrages expérimentaux et théoriques ont montré l'efficacité de l'approche suivie pour cerner l'influence du ligand et de la longueur de la chaîne alkyle sur les propriétés de RuNPs. L'énergie libre de Gibbs de l'adsorption d'hydrogène, un paramètre de référence pour déterminer la viabilité de matériaux pour la catalyse HER, a été calculée par DFT sur des modèles Ru55. Le meilleur nanocatalyseur doit présenter à la fois une surface métallique moyennement encombrée et un ligand avec une longueur de chaîne alkyle intermédiaire, indiquant ainsi comme système le plus prometteur les RuNPs stabilisées par l'acide pentanoïque. Des études d'échange de ligands à la surface de RuNPs stabilisées par l'acide octanoïque ont été réalisées afin de modéliser l'ancrage du PS par un groupe acide carboxylique et complétées par des études théoriques. Les résultats obtenus ont démontré la potentialité de cette approche. Une originalité de ce travail réside dans la combinaison d'études expérimentales et théoriques menées de front pour mieux comprendre la relation structure/propriétés de RuNPs stabilisées par des acides carboxyliques et leur viabilité catalytique pour la production d'H2 à partir d'H2O. Les données obtenues et des résultats catalytiques préliminaires devraient permettre de concevoir des nanocatalyseurs efficaces. Si l'intérêt d'une telle approche a été démontré sur des RuNPs modèles pour le craquage de l'eau, ce travail ouvre d'autres perspectives en nanocatalyse.

This PhD thesis is an upstream study regarding the production of hydrogen (H2) via the water splitting process. The reactions involved (water oxidation, WOR and hydrogen evolution reactions, HER) require efficient catalysts and nanoparticles (NPs) can act so. Such catalysis can be photoactivated by combining photosensitizers (PS) with the NPs leading to hybrid PS-NPs systems, and effective assembling is able via carboxylic acid groups. This work relies on a combination of experimental and theoretical tools to develop novel ruthenium-based nanocatalysts for the water splitting process. Our contribution aimed at achieving a precise mapping of the surface of ruthenium nanoparticles (RuNPs) stabilized by carboxylic acids with an alkyl chain of different length as model systems for the design of PS-NPs catalysts for H2 photoproduction from water. One of the main aims of this PhD was to bring a better understanding of structure/properties relationship at the nanoscale to explain the surface properties of RuNPs stabilized by carboxylic acids and their catalytic viability. RuNPs were synthesized by the organometallic approach using the [Ru(COD)(COT)] complex as metal source and ethanoic, pentanoic and octanoic acids as stabilizers. This synthesis method allows the formation of well-controlled metal NPs, thus providing nanosystems of choice for fine comparative studies. TEM characterization revealed the formation of homogeneous populations of RuNPs in a size range of 1.1 - 1.7 nm. The surface state of the NPs was probed by complementary analytical techniques like IR, NMR and WAXS, leading to a precise mapping of their surface. Optimization studies of the ligand/[Ru] ratio to get NPs with a similar size allowed to have comparable nanosystems whatever the carboxylic acid used as stabilizer and thus to determine the influence of the alkyl chain length. DFT calculations were performed in parallel according to a thermodynamic model fed with DFT energies. Also, a systematic analysis of the bond properties and of the electronic states (Density of States, Crystal Orbital Hamilton Population, atomic charges) was carried out using a Ru55 NP model. DFT calculations of the vibrational features of model RuNPs and of the chemical shifts of model Ru clusters also allowed to secure the spectroscopic experimental assignations. Spectroscopic data and DFT mechanistic studies evidenced that the carboxylic acids lie on the metal surface as carboxylates, together with hydrogen atoms. The results of experimental and theoretical titrations are in good agreement, thus showing the approach followed to be an efficient step to build a model in order to understand the ligand influence on RuNPs properties. Hydrogen adsorption Gibbs free energy, which is a reference parameter to determine the viability of materials for HER catalysis, has been calculated for optimized RuNP structures. The best nanocatalyst revealed to have both, intermediate crowded metal surface and intermediate alkyl chain length for the capping ligand, indicating the RuNPs stabilized by pentanoic acid as the most promising catalyst. Experiments on ligand exchange at the surface of octanoic acid-stabilized RuNPs were also performed in order to model the PS anchoring onto RuNPs through carboxylic acid groups completed by theoretical studies. Results obtained demonstrated the potentiality of this approach. The originality of this work lies with the combination of experimental and theoretical studies in parallel to achieve a better understanding of structure/properties relationship of RuNPs stabilized by carboxylic acids and their catalytic viability for the water-splitting process. Preliminary catalytic results are encouraging, and the data obtained should now allow to design appropriate nanocatalysts. Finally, the interest of this combined approach has been demonstrated through the study of RuNPs for water splitting, but this work opens new opportunities of research in nanocatalysis.