Combinaison de la chimie sol-gel et des fluides complexes pour synthétiser des catalyseurs monolithiques à porosité multi-échelle dédiés à la remédiation environnementale.

Combination of sol-gel chemistry and complex fluids towards multiscale porous monolithic catalysts for environmental remediation.

• Auteur / Autrice : Elodie Layan
• Direction : Rénal Backov, Thierry Toupance
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Paul Pascal
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Colloides, Interfaces, Assemblages (CIA)
• Jury : Président / Présidente : Rodolphe CLéRAC
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rénal Backov, Thierry Toupance, Véronique Nardello-rataj, Olivier Diat, Avelino Corma, Clément Sanchez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Nardello-rataj, Olivier Diat

Mots clés

Mots clés libres

Chimie Sol-Gel

Matériaux poreux

Catalyse Hétérogène

Sol-Gel chemistry

Porous Matter

Heterogeneous Catalysis

Résumé

Les architectures poreuses hiérarchisées sont largement étudiées du fait de leurs caractéristiques uniques à l’égard de la catalyse hétérogène, le traitement de l’air et de l’eau, le stockage et la conversion de l’énergie, etc. Ces matériaux offrent en effet un transport de matière optimisé, un captage de lumière exalté, de hautes surfaces spécifiques et une porosité ouverte. Employées en tant que support catalytique, les architectures poreuses hiérarchisées permettent l’amélioration des propriétés catalytiques habituellement rencontrées chez leurs analogues à porosité monomodale. En particulier, la combinaison de la macroporosité ouverte (pores dont la taille est supérieure à 50 nm) et de la mésoporosité (2 nm < taille de pore < 50 nm) est considérée comme une alternative intéressante. Les macropores permettent en effet un accès facilité aux pores de plus petite taille, par des phénomènes de convection, tandis que les mésopores offrent une grande surface spécifique. C’est pourquoi notre objectif est de concevoir de nouvelles architectures inorganiques hiérarchisées présentant une porosité multi-échelle (micro-, méso-, macroporosité) en combinant la chimie du sol-gel et les émulsions. Dans cette optique, des matrices siliciques à porosité hiérarchique contenant des co-oxydes ont été synthétisées, caractérisées, et utilisées pour différents types de catalyses de contact en phase liquide ou gazeuse. D’une part, en immobilisant de l’oxyde de niobium dans la matrice silicique, la catalyse de réactions d’acylation et d’alkylation de Friedel-Crafts peut être réalisée, en évitant l’utilisation de super-acides habituellement nécessaire. D’autre part, en introduisant des nanoparticules de dioxyde de titane dans la matrice silicique, via une approche colloïdale, des photocatalyseurs possédant de bonnes propriétés photo-oxydantes vis-à-vis de la dégradation de l’acétone gazeuse ont été obtenus. Ces matériaux auto-supportés présentent une activité et une diffusion de la lumière en volume, là où la majorité des photocatalyseurs décrits jusqu’à présent sont seulement actifs en extrême surface. Enfin, en changeant le protocole de synthèse, des aérogels siliciques macrocelluaires auto-supportés, présentant une macroporosité ouverte et des surfaces spécifiques élevées, ont été préparés grâce à un séchage par CO2 supercritique.

Hierarchical porous architectures attract a great attention because of their unique characteristics with endeavor towards heterogeneous catalysis, air and water treatment, energy storage and conversion and so forth. They offer enhanced mass transport and light harvesting, high surface area and open porosity. When employed as catalyst’ supports, these architectures allow increased catalytic activity compared to their analogues bearing monomodal porosity. In particular, combining open macropores (pore size > 50 nm) and mesopores (2 nm < pore size < 50 nm) is regarded as one of the most interesting association. Open macropores favor access to smaller pores trough convection phenomena while mesopores offer high surface areas (offering diffusion). Therefore, we aim at designing novel hierarchical inorganic architectures, bearing multiscale porosity (micro-, meso- and macroprosity), by combining sol-gel chemistry and emulsion templating. In this vein, hierarchically porous silica-based matrices containing co-oxides have been synthetized, characterized and tested towards several catalytic reactions, either in liquid or gas phase. Indeed, on the one hand, when niobium oxide is immobilized onto the silica matrix, Friedel-Crafts alkylation and acylation can be targeted, while avoiding the use of the super-acids usually employed. On the other hand, by introducing titanium dioxide nanoparticles into the silica matrix through a colloid approach, photocatalysts exhibiting good photo-oxidative properties towards gaseous acetone degradation were obtained. These self-standing materials showed activity and light trapping in volume where the majority of photocatalysts reported so far are only active on their top surface. Finally, by changing the synthetic pathway, self-standing macrocellular aerogels, exhibiting open macroporosity and considerable specific surface areas were prepared thanks to a supercritical CO2 drying procedure.