Synthèse et étude des propriétés structurales thermodynamiques et catalytiques de nanoparticules bimétalliques Au-Cu par microscopie électronique en transmission corrigée d'abérrations PDF Download
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Author: Hélène Prunier
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Book Description
L'émergence de nouveaux matériaux structurés à l'échelle nanométrique, aux propriétés contrôlées, a ouvert de nouvelles perspectives vis-à-vis des matériaux qui nous entourent. C'est notamment le cas des métaux et de leurs alliages et il est crucial d'établir le lien entre leurs propriétés structurales et leurs propriétés chimique et physique pour en permettre une utilisation optimale. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et porte sur la synthèse et la caractérisation en microscopie électronique en transmission de nanoparticules d'alliage bimétallique Au-Cu. En s'appuyant sur le diagramme de phase décrit à l'échelle macroscopique, nous nous sommes particulièrement intéressés aux nanoparticules de compositions nominales Au3Cu, AuCu et AuCu3. Le premier axe de ce travail consiste en l'élaboration de nanoparticules d'alliage Au-Cu. Deux voies de synthèse sont explorées : la voie chimique reposant sur le procédé polyol et la voie physique par ablation par laser pulsé. Le premier mode d'élaboration permet l'obtention de nanoparticules parfaitement cubiques dont la composition est systématiquement riche en Au. Les nanoparticules produites par voie physique présentent en revanche une composition maitrisée et modifiable. D'un point de vue structural, un recuit de ces dernières particules mène à leur mise en ordre chimique et à l'observation de structures L10 et L12. Cependant, nous montrons que cette transition de phase est bloquée dans les nanostructures présentant des défauts structuraux. Enfin, l'évolution du paramètre de maille des nanoparticules synthétisées selon ces deux voies de synthèse, en fonction de leur composition, a été établie et suit exactement la loi de Vegard décrite pour le matériau massif.Dans un second temps, nous avons observé des nanoparticules obtenues par voie physique en microscopie électronique en transmission environnementale, c'est-à-dire dans des conditions proches des environnements d'utilisation habituellement appliqués en catalyse. Les expériences menées en température révèlent que le mécanisme de dissolution de nanoparticules d'Au et d'alliage Au-Cu portées à haute température se fait en deux étapes : il y a fusion des nanoparticules suivi de leur évaporation pour des tailles de nanoparticules centrées autour de 10 nm. Les expériences réalisées en couplant le chauffage des nanoparticules au passage d'un gaz (H2 ou O2), en flux et dans des conditions de pression bien supérieures à celles accessibles jusqu'à maintenant, ont permis d'étudier leur comportement thermodynamique en condition oxydantes et réductrices. Nous avons notamment montré que des cycles d'oxydo-réduction de nanoparticules de taille moyenne supérieure à 20 nm conduisent à un effet Kirkendall menant, de manière réversible, à la formation de nanoparticules creuses (doughnut). Cette thèse interdisciplinaire constitue travail pionnier dans la compréhension du système d'alliage bimétallique Au-Cu à l'échelle nanoscopique.
Author: Hélène Prunier
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L'émergence de nouveaux matériaux structurés à l'échelle nanométrique, aux propriétés contrôlées, a ouvert de nouvelles perspectives vis-à-vis des matériaux qui nous entourent. C'est notamment le cas des métaux et de leurs alliages et il est crucial d'établir le lien entre leurs propriétés structurales et leurs propriétés chimique et physique pour en permettre une utilisation optimale. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et porte sur la synthèse et la caractérisation en microscopie électronique en transmission de nanoparticules d'alliage bimétallique Au-Cu. En s'appuyant sur le diagramme de phase décrit à l'échelle macroscopique, nous nous sommes particulièrement intéressés aux nanoparticules de compositions nominales Au3Cu, AuCu et AuCu3. Le premier axe de ce travail consiste en l'élaboration de nanoparticules d'alliage Au-Cu. Deux voies de synthèse sont explorées : la voie chimique reposant sur le procédé polyol et la voie physique par ablation par laser pulsé. Le premier mode d'élaboration permet l'obtention de nanoparticules parfaitement cubiques dont la composition est systématiquement riche en Au. Les nanoparticules produites par voie physique présentent en revanche une composition maitrisée et modifiable. D'un point de vue structural, un recuit de ces dernières particules mène à leur mise en ordre chimique et à l'observation de structures L10 et L12. Cependant, nous montrons que cette transition de phase est bloquée dans les nanostructures présentant des défauts structuraux. Enfin, l'évolution du paramètre de maille des nanoparticules synthétisées selon ces deux voies de synthèse, en fonction de leur composition, a été établie et suit exactement la loi de Vegard décrite pour le matériau massif.Dans un second temps, nous avons observé des nanoparticules obtenues par voie physique en microscopie électronique en transmission environnementale, c'est-à-dire dans des conditions proches des environnements d'utilisation habituellement appliqués en catalyse. Les expériences menées en température révèlent que le mécanisme de dissolution de nanoparticules d'Au et d'alliage Au-Cu portées à haute température se fait en deux étapes : il y a fusion des nanoparticules suivi de leur évaporation pour des tailles de nanoparticules centrées autour de 10 nm. Les expériences réalisées en couplant le chauffage des nanoparticules au passage d'un gaz (H2 ou O2), en flux et dans des conditions de pression bien supérieures à celles accessibles jusqu'à maintenant, ont permis d'étudier leur comportement thermodynamique en condition oxydantes et réductrices. Nous avons notamment montré que des cycles d'oxydo-réduction de nanoparticules de taille moyenne supérieure à 20 nm conduisent à un effet Kirkendall menant, de manière réversible, à la formation de nanoparticules creuses (doughnut). Cette thèse interdisciplinaire constitue travail pionnier dans la compréhension du système d'alliage bimétallique Au-Cu à l'échelle nanoscopique.
Author: Nhat Tai Nguyen
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Dans cette thèse, des nanoparticules (NPs) Au-Pd bimétalliques ont été synthétisées et leur structure à l'échelle atomique étudiée par microscopie électronique en transmission corrigée des aberrations pour déterminer l'influence de celle-ci sur les propriétés catalytiques et thermodynamiques. Les NPs Au-Pd de taille et de composition contrôlées ont été fabriquées par ablation laser pulsé sur différents supports cristallins (NaCI, MgO, Ti02, Zr02) et du carbone amorphe. L'imagerie MET à haute résolution des NPs a montré que leur morphologie d'équilibre est de type octaédrique tronquée. Sur des supports d'oxydes, diverses relations d'épitaxie sont observées entre les NPs et leur support. Connaissant la forme exacte des NPs, nous avons pu déterminer l'énergie d'interface et la tension linéaire dans ces systèmes en utilisant un modèle de Wulff-Kaishew généralisé combiné à des mesures de distances dans des images MET en projection prise parallèle à l'interface métal-support. Les performances catalytiques des NPs Au-Pd sur supports d'oxyde ont ensuite été testées dans deux réactions : l'hydrogénation du 1,3-butadiène et l'oxydation du monoxyde de carbone. Finalement, en étudiant la structure de NPs Au-Pd traitées thermiquement dans le vide, nous avons apporté la première preuve expérimentale de l'existence des phases chimiquement ordonnées L10 et L12 dans le nanoalliage Au-Pd à des températures élevées (500-600°C). La mise en ordre chimique est accompagnée par un mûrissement d'Ostwald à deux vitesses thermiquement activé
Author: Adrian Chmielewski
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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.
Author: Jean-Gabriel Mattei
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Pages : 140
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L'association de deux métaux dans un même nanomatériau permet de combiner les effets de taille et de mélange à même de susciter de nouvelles propriétés, différentes de celles attendues dans le massif, et donc de nouvelles fonctions. Cette association donne cependant lieu à toute une variété d'organisation atomique et de distribution des éléments allant de la solution solide aux domaines ségrégés en passant par les alliages ordonnés. L'investigation de la structure et de l'ordre chimique dans les nanosystèmes bimétalliques est essentielle à la compréhension de leurs propriétés. Ce travail est dédié à comprendre comment s'organise dans une nanoparticule le système fer-bismuth, totalement immiscible dans le massif et qui réunit deux métaux de propriétés très différentes. Nous avons étudié la structure et l'ordre chimique de nanoparticules bimétalliques Fe-Bi synthétisées par voie de chimie douce et leur évolution suivant les différents paramètres de la synthèse. Cette étude s'appuie sur une combinaison de différentes techniques expérimentales permettant d'analyser la structure de façon statistique par les techniques de rayons X : EXAFS et WAXS, comme localement par des analyses de microscopie électronique à haute résolution. Le couplage avec différentes techniques d'analyses chimiques permet aussi d'étudier les gradients de composition du coeur vers la surface. En effet, les techniques de spectroscopies associées à la microscopie électronique en transmission, EDX et EELS, ont permis d'identifier localement la présence des espèces chimiques tandis que l' XPS et l'Auger nous ont renseigné sur l'environnement chimique des espèces présentes au niveau de la surface.
Author: ABDELHAFED.. TALEB
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Pages : 167
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DANS CE TRAVAIL, NOUS AVONS UTILISE LES MICELLES INVERSES D'AOT COMME MICROREACTEURS POUR LA SYNTHESE ET LE CONTROLE DE TAILLE DES NANOPARTICULES D'ARGENT ET DE COBALT. APRES SYNTHESE, NOUS AVONS UTILISE DES TECHNIQUES D'EXTRACTION ET DE TRI POUR REDUIRE LA DISTRIBUTION EN TAILLE DES PARTICULES JUSQU'A ENVIRON 12%. PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A TRANSMISSION NOUS AVONS MONTRE QUE LES PARTICULES AINSI OBTENUES S'AUTO-ORGANISENT POUR FORMER DES STRUCTURES BIDIMENSIONNELLES (2D) SOUS UN RESEAU HEXAGONALE ET TRIDIMENSIONNELLES (3D) SOUS UN RESEAU CUBIQUE FACES CENTREES. CES NANOSTRUCTURES MONTRENT DE NOUVELLES PROPRIETES SPECIFIQUES. PAR SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE, NOUS AVONS ETUDIE LES PROPRIETES OPTIQUES DE STRUCTURES 2D ET 3D DE NANOPARTICULES D'ARGENT. LES SPECTRES DE PLASMON OBTENUS POUR LES STRUCTURES 2D MONTRENT CLAIREMENT UN ELARGISSEMENT ET UN DEPLACEMENT DE LA BANDE DE PLASMON VERS LES FAIBLES ENERGIES CE QUE NOUS AVONS EXPLIQUE PAR UNE MODIFICATION DE L'ENVIRONNEMENT DIELECTRIQUE DES PARTICULES. DANS LE CAS DE STRUCTURES 3D, LA REPONSE OPTIQUE EST CARACTERISEE PAR UN AFFINEMENT DE LA BANDE CE QUI TRADUIT UNE AUGMENTATION DU LIBRE PARCOURS MOYEN DES ELECTRONS DE CONDUCTION SUR PLUSIEURS PARTICULES DU RESEAU PROBABLEMENT PAR EFFET TUNNEL. LA SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE, PAR REFLEXION POUR DIFFERENTES POLARISATIONS, NOUS A PERMIS EGALEMENT DE METTRE EN EVIDENCE UNE ANISOTROPIE OPTIQUE DANS UNE MONOCOUCHE DE NANOPARTICULES D'ARGENT. CE QUE NOUS AVONS ATTRIBUE A DES INTERACTIONS DIPOLAIRES OU A UN TRANSFERT D'ELECTRONS ENTRE PARTICULES OU PARTICULES SUPPORT. DANS LE CAS DE NANOPARTICULES DE COBALT UNE ETUDE MAGNETIQUE A ETE MENEE POUR LA PREMIERE FOIS SUR UNE STRUCTURE 2D. LES RESULTATS ONT PERMIS DE FAIRE UNE COMPARAISON PAR RAPPORT A CEUX DE LA PARTICULE ISOLEE. LES MESURES MAGNETIQUES DE L'AIMANTATION EN FONCTION DE LA TEMPERATURE (ZFC/FC) ONT MONTRE UN DEPLACEMENT DE 5K DE LA TEMPERATURE DE BLOCAGE DES PARTICULES DEPOSEES SUR SUPPORT PAR RAPPORT A CELLE DES PARTICULES EN SOLUTION. DE MEME LE CYCLE D'HYSTERESIS EST SENSIBLEMENT MODIFIE, UNE AUGMENTATION DE L'AIMANTATION REMANENTE AINSI QU'UNE SATURATION A DES CHAMPS PLUS FAIBLES A PU ETRE MIS EN EVIDENCE. CET EFFET EST DUE TRES VRAISEMBLABLEMENT AUX EFFETS COLLECTIFS DANS L'ORGANISATION ATTRIBUEE AUX INTERACTIONS ENTRE PARTICULES.
Author: Renato Campesi
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Plusieurs verrous scientifiques et technologiques empêchent aujourd'hui de développer une technique et/ou un matériau qui permette de stocker une quantité importante d'hydrogène à pression et température ambiante dans un volume et un poids acceptable pour des applications embarquées. Une possible solution consiste à synthétiser des matériaux hybrides (matériaux poreux/métaux ou alliages) où les processus d'adsorption et d'absorption pourraient coopérer pour obtenir une capacité de stockage d'hydrogène en adéquation avec les besoins des applications. Notre travail a consisté à identifier et caractériser différents matériaux poreux ayant une organisation de pores bien définie et une taille de l'ordre de quelques nanomètres. Parmi eux, ont été choisis : une réplique de carbone (CT) et un réseau organométallique (MOF-5). De plus, plusieurs métaux nobles (Ni, Pd et Pt) ont été choisis pour leur facilité à dissocier l'hydrogène et à former des alliages (Pd-Ni) avec différentes compositions en milieu aqueux (oxydant). Une méthode d'imprégnation par voie chimique ainsi que le broyage mécanique ont été utilisés pour la synthèse des hybrides. L'étude des propriétés structurales, texturales et thermodynamiques (hydrogénation) des composites CT/Pd a montré qu'un effet coopératif existe entre les pores du CT et les nanoparticules métalliques pendant le processus d'ad/absorption d'hydrogène. Cette interaction entraîne une amélioration de la capacité d'hydrogénation par rapport à chacun des constituants de l'hybride.
Author: Lucy Cusinato
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Pages : 307
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La chimie de surface de petites nanoparticules métalliques ( ~ 1 nm), principalement de ruthénium ou d'alliages de ruthénium, a été étudiée par une approche théorique au niveau DFT. Cela est appuyé par le développement d'outils d'analyse de propriétés structurales, électroniques et thermodynamiques de ces nanoparticules. Une première partie est consacrée à l'étude des propriétés structurales de nanoparticules métalliques. La variété de morphologie des nanoparticules ainsi que la nécessité de pouvoir générer des modèles appropriés sont mises en évidence. En particulier, l'affinement de la génération de modèles structuraux théoriques est rendu possible via l'implémentation de méthodes de modélisation de nanoparticules génériques couplées à l'utilisation de la méthode de Monte Carlo inversé permettant se rapprocher au plus près de la réalité expérimentale. L'application à ces nanoparticules de descripteurs électroniques ou morphologiques, tels que le d-band center ou le nombre de coordination généralisé, est par la suite proposée en relation avec leur capacités d'adsorption, et plus généralement dans le cadre du principe de Sabatier. Un descripteur électronique de la liaison chimique (COHP) est appliqué aux différentes nanoparticules, pour mettre en évidence les différences entre structures aussi bien que la nature des interactions au sein du cœur métallique, ainsi qu'entre ce cœur et les espèces de surface. Enfin, l'adsorption d'espèces à la surface de ces modèles est étudiée. L'adsorption d'un seul ligand à la surface d'une nanoparticule modèle est utilisée comme sonde de détermination de sites d'adsorption préférentiels, puis des taux d'adsorption plus élevés sont considérés dans le but d'étudier l'influence de celui-ci sur l'adsorption de ligands surnuméraires, ainsi que pour rendre compte de l'influence des ligands de surface sur la morphologie du cœur métallique. Pour cela, les propriétés thermodynamiques des systèmes adsorbés ont été modélisées par prise en compte de l'influence de la pression et de la température sur la stabilité relative des diverses structures via une modélisation de thermodynamique ab initio. Enfin, cette même approche à été utilisée pour étudier la co-adsorption de ligands H2 et CO à la surface de nanoparticules de ruthénium et de rhénium dans le cas particulier de la synthèse de Fischer-Tropsch, permettant notamment de proposer un intermédiaire thermodynamiquement favorable pour cette réaction. Une étude préliminaire de cette réaction, d'un fort intérêt chimique et sociétal, conclut ce manuscrit. L'utilisation combinée des approches structurale, électronique et thermodynamique permet alors d'avoir un point de vue élargi sur certains aspects de la chimie de ces nanoparticules de ruthénium.
Author: Julien Ramade
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Book Description
Les nanoparticules (NPs) bimétalliques présentent des propriétés catalytiques très intéressantes qui justifient leur utilisation dans des procédés industriels de catalyse hétérogène. Leur structure (chimique, géométrique, électronique) est néanmoins susceptible d'évoluer dans des conditions environnementales réelles et modifier leurs propriétés. L'objectif de cette thèse pluridisciplinaire est de suivre la réactivité de ces NPs en atmosphère réactive contrôlée. Pour cela, on a développé un dispositif de spectroscopie in situ à modulation spatiale afin de suivre l'évolution de la structure sur une grande population de NPs via l'étude de leur résonance du plasmon de surface (RPS) localisée. Ces observations ont été couplées avec une approche locale (NPs individuelles) par microscopie électronique à transmission environnemental (MET-E). La MET-E a permis de révéler des effets de composition et d'environnement sur la structure chimique de NPs Ag-In. Des alliages stables pauvres en indium se forment, puis une coquille d'oxyde d'indium dont l'épaisseur augmente avec la concentration atomique d'indium. D'autre part, des domaines de structures stables (coeur@coquille, Janus, système réduit) ont été mis en évidence selon les conditions locales de température et de pression d'hydrogène. Enfin, l'oxydo-réduction de NPs Ag-Fe a été suivie in situ via l'étude de leur RPS. La MET, la plasmonique environnementale et les nombreuses simulations (réponse optique, simulations Monte-Carlo) suggèrent une ségrégation du fer et de l'argent avec une surface enrichie en argent. L'oxydation semble induire la diffusion du fer en surface, directement suivie de la formation de magnétite (Fe3O4).
Author: Emilie Calvié
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Book Description
La connaissance du comportement et des propriétés des matériaux est d'une grande importance pour optimiser leur mise en forme et adapter leur utilisation. Pour étudier ces propriétés de nombreuses techniques sont couramment utilisées : les essais de traction, la microindentation, la nanoindentation instrumentée... Aujourd'hui, un intérêt particulier est porté sur les nanomatériaux et matériaux nanostructurés car ils présentent souvent des propriétés différentes et plus intéressantes. La nanoindentation instrumentée, notamment, permet de déterminer des paramètres matériaux de manière locale. Cependant, le comportement en temps réel ne peut être observé et l'échantillon ne doit pas être de dimension trop faible (typiquement, l'étude de nanoparticules n'est pas envisageable). Le principal atout de la nanoindentation in situ en Microscopie Electronique en Transmission vis-à-vis des autres techniques existantes est la possibilité d'étudier le comportement de nano-objets ou des comportements très locaux et en temps réel, tout en observant les transformations subies par le matériau. Dans cette étude, nous avons évalué les potentialités de cette nouvelle technique via l'analyse de céramiques très étudiées au laboratoire notamment en tant que biomatériaux : la zircone stabilisée et l'alumine. Dans le cas de la zircone (stabilisée à l'yttrium ou au cérium), le but était de localiser à l'échelle nanométrique les contraintes responsables ou inhérentes à la transformation de phase quadratique-monoclinique, phénomène ayant une très grande influence sur les propriétés du matériau massif. Pour ce faire, après avoir déterminé une technique de préparation adaptée, nous proposons une voie d'étude pour la localisation des contraintes liées à la transformation de phase : le CBED (Convergent Beam Electron Diffraction) couplé à la nanoindentation in situ. Dans le cas de l'alumine, l'objectif était d'étudier le matériau (commercial et non un matériau modèle) dans sa forme originelle à savoir sous forme de nanoparticules d'alumine de transition. L'idée était d'étudier le comportement de ces nanoparticules sous compression. Nous avons notamment constaté que ces particules pouvaient subir une grande déformation plastique à température ambiante. Nous avons pu également, sur quelques particules, obtenir une série d'images en cours de compression ainsi que la courbe de charge-déplacement correspondante. Ces résultats ont ensuite été soumis à une analyse des images couplée à une simulation de type Eléments Finis (réalisées par le LAMCOS).
