Synthèse contrôlée d'assemblages covalents de nanoparticules de Ru et étude de leurs applications catalytiques

Controlled synthesis of Ru nanoparticle covalent assemblies and their catalytic application

• Auteur / Autrice : Yuanyuan Min
• Direction : Philippe Serp, Maria Rosa Axet Marti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Organométallique et de Coordination
• Date : Soutenance le 14/02/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Romuald Poteau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Serp, Maria Rosa Axet Marti, Giuliano Giambastiani, Patricia Lara Munoz, Antonio Leyva Perez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giuliano Giambastiani, Patricia Lara Munoz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acides carboxyliques

Nanoparticules

Ruthénium

Mots clés libres

Ruthénium

Nanoparticule

Acides carboxyliques

Amines

Polymantane

Triphénylène

Hydrogénation

Phénylacétylène

Ruthenium

Nanoparticle

Carboxylic acids

Amines

Polymantane

Triphenylene

Hydrogenation

Phenylacetylene

Résumé

Ce travail de recherche porte sur la préparation d'assemblages covalents de nanoparticules (NP) de Ru stabilisés par différentes molécules fonctionnelles, ainsi que sur l'étude des relations structure/activité de ces assemblages pour des réactions d'hydrogénation catalytique. Le chapitre 1 passe en revue la bibliographie relative aux assemblages covalents de NP métalliques en fonction des stratégies de synthèse utilisées et de leur application en catalyse. Le chapitre 2 décrit la préparation d'assemblages covalents tridimensionnels (3D) de NP de Ru caractérisés par: a) des NP de Ru de taille nanométrique bien définie, stabilisées par des ligands adamantane, bisadamantane et diamantane fonctionnalisés, et ii) une distance interparticulaire ajustable. La chimie de coordination avec des ligands amine et acides carboxyliques a été étudiée. Dans le cas de ligands d'acide carboxylique, il a été montré que les espèces de Ru formées lors de l'assemblage de NP sont capables de décarbonyler partiellement les ligands d'acide carboxylique à température ambiante. Le mécanisme de cette réaction a été élucidé par DFT. Le chapitre 3 détaille l’utilisation d’autres briques moléculaires élémentaires pour la formation d’assemblages de NP de Ru. Nous avons montré que l'utilisation d'un ligand tricarboxylique-hexyloxy triphénylène conduisait à la formation d'assemblages bidimensionnels (2D) de NP de Ru présentant une distance interparticulaire et une taille de NP homogènes. De plus, des assemblages 3D de NP de Ru ont été préparés avec de l'anthracène 9,10-dicarboxylique et un fullerène C60 fonctionnalisé par un hexa-adduit. Dans le chapitre 4, nous avons étudié les performances catalytiques de ces nouveaux réseaux covalents de NP de Ru dans diverses réactions. Tous ces matériaux constituent un ensemble intéressant pour étudier les effets structurels et électroniques du catalyseur en catalyse hétérogène. Les assemblages sont actifs et atteignent une bonne sélectivité en styrène dans l'hydrogénation sélective du phénylacétylène. En particulier, nous avons démontré que des effets de confinement et des effets électroniques se produisaient et que la distance interparticulaire des NP de Ru affectait l'activité du catalyseur, tandis que les effets électroniques liés aux ligands régissaient principalement la sélectivité du catalyseur. Nous discutons enfin la stabilité des assemblages de NP de Ru

This research work focuses on the preparation of Ru nanoparticle (NP) covalent assemblies stabilized by different functional molecules, and the study of structure/activity relationships for catalytic hydrogenation reactions. Chapter 1 reviews the metal NP covalent assemblies according to the synthesis strategies and their application in catalysis. Chapter 2 described the preparation of three-dimension (3D) Ru NP covalent assemblies characterized by: i) well-defined nanometricsized Ru NP stabilized by functionalized adamantane, bis-adamantane and diamantane ligands, and ii) a tunable interparticle distance. The coordination chemistry with amine and carboxylic acid ligands towards the Ru NP surface was investigated. In the case of carboxylic acid ligands it was shown that Ru species formed during the NP assembly are able to partially decarbonylate carboxylic acid ligands at room temperature. The mechanism of this reaction was elucidated by DFT. Chapter 3 detailed the use of other molecular building blocks for Ru NP assembly formation. We showed that the use of tricarboxylic-hexyloxy triphenylene ligand leads to the formation of twodimensional (2D) Ru NP assemblies with homogeneous interparticle distance and NP size. Additionally, 3D Ru NP assemblies were prepared with 9, 10-dicarboxylic anthracene and a hexaadduct functionalized C60 fullerene. In Chapter 4 we studied the catalytic performances of the Ru NP networks in various reactions. All these materials constitute an interesting set to investigate the structural and electronic effects in heterogeneous catalysis. In the selective hydrogenation of phenyl acetylene, the assemblies are active, reaching good selectivity towards styrene. Especially, we demonstrated that confinement and electronic effects are occurring and that Ru NP interparticle distance affects the catalyst activity, whereas electronic effects mainly govern the catalyst selectivity. The stability of the Ru NP assembly is finally discussed