Synthèse à façon de matériaux poreux multi-échelle dédiés pour remédiations environnementales

Tailored syntheses of multi-scale porous materials toward environmental remediations

• Auteur / Autrice : Antoine Vardon
• Direction : Rénal Backov, Thierry Pigot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac ; 1963-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Mondain-Monval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Héquet, Anne Galarneau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Daturi, Nicolas Keller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyse

Catalyse hétérogène

Chimie intégrative

Procédé sol-gel

Matériaux poreux

Mots clés libres

Matériaux poreux

Chimie sol-gel

Chimie intégrative

Catalyse hétérogène

Photocatalyse

Porous materials

Sol-gel process

Integrative chemistry

Heterogeneous catalysis

Photocatalysis

Résumé

Les objectifs principaux de cette thèse de doctorat ont porté sur la synthèse et la caractérisation de catalyseurs inorganiques à porosité hiérarchique, destinés à des applications en catalyse hétérogène. Ces matériaux innovants résultent de la combinaison synergique de la chimie sol-gel, des mésophases lyotropes et des émulsions, c’est-à-dire d’une approche de « chimie intégrative ». Les catalyseurs obtenus se présentent sous forme de monolithes autoportants, composés majoritairement de silice amorphe servant de matrice continue, tout en intégrant des nano-sites actifs (Co3O4, CuO, Cu°, TiO2. . .). Une partie importante de la thèse a été consacrée à l’optimisation des protocoles de synthèse. Initialement, les matériaux ont été élaborés via une émulsification manuelle, avant d’explorer une formulation mécanisée. Cette dernière visait à améliorer l’homogénéité et la répétabilité des synthèses, tout en facilitant leur mise en oeuvre à l’échelle industrielle. En parallèle, le processus de synthèse des monolithes nécessitait un séchage très lent (1 à 2 mois dans un dessiccateur), en raison des contraintes capillaires. Ainsi, une partie de la recherche s’est concentrée sur l’utilisation de CO2 supercritique, en utilisant un appareil commercial, pour sécher les matériaux à plus grande échelle. Compte tenu du caractère innovant et entropique de ces céramiques, une grande attention a été accordée à leur caractérisation à différentes échelles. Plusieurs techniques ont été mobilisées pour étudier leur structure et morphologie, entre autres la microscopie électronique, l’intrusion au mercure, la sorption de gaz et la diffusion des rayons X. Les catalyseurs développés ont été testés dans diverses réactions correspondant à différents domaines d’applications de la remédiation environnementale, notamment la photocatalyse en phase gazeuse élimination des composés organiques volatils) et des réactions thermo-activées (oxydation du CO en CO2).

The primary objectives of this PhD focused over the syntheses and characterizations of multi-scale inorganic catalysts bearing hierarchical porosity, addressing heterogeneous catalyses. These innovative materials were developed through the integrative chemistry while combining sol-gel process, lyotropic mesophases, and emulsions. The resulting catalysts are self-supporting monoliths, primarily composed of amorphous silica, which acts as a continuous matrix, bearing active nano-sites (such as Co3O4, CuO, Cu°, TiO2, etc.). A significant part of the thesis was dedicated to optimizing the synthetic protocols. Initially, the materials were produced through manual emulsification process, but the research later shifted towards a mechanized formulation. This approach aimed at improving the homogeneity and reproducibility of the formulation step, while fostering industrial high scale production. Additionally, the monolith syntheses required a very slow drying process (1 to 2 months in a desiccator) due to capillary constraints. As a result, part of the research aimed at employing supercritical CO2 within a commercial apparatus to favor large-scale drying. Given the innovative and complex nature of these ceramics, their characterization at multiple scales was a key focus of the study. A variety of techniques were employed to feature their structure and morphology, including electron microscopy, mercury intrusion, gas sorption, and X-ray diffraction, among others. The catalysts were tested for several reactions, including gas-phase photocatalysis (for the removal of volatile organic compounds) and thermo-activated reactions (such as the oxidation of CO to CO2).