Dans le contexte actuel de développement de nouvelles sources d'énergie non fossiles tout en minimisant l'impact environnemental, la production de carburants solaires par la valorisation des émissions anthropiques de CO2 apparaît comme une solution à fort potentiel. Le principal défi dans les processus artificiels photo-induits concerne le caractère bidimensionnel des systèmes utilisés, en raison de la faible profondeur de pénétration des photons. Ce travail de thèse se concentre sur le développement de mousses solides alvéolaires, issues de la chimie intégrative, présentant une porosité hiérarchiquement organisée. A travers l’imprégnation de précurseurs de TiO2, des photocatalyseurs autosupportés ont été synthétisés et ont montré une augmentation de la pénétration des photons d’un ordre de grandeur. D’autre part, ces solides limitent les réactions inverses par un effet de dilution, tout en assurant une sélectivité élevée envers la génération d'alcanes. Un modèle cinétique, basé sur un formalisme mixte de Langmuir-Hinshelwood et Eley-Rideal, est proposé pour décrire le comportement des matériaux. / In the current context of developing novel non-fossil energy sources while minimizing the environmental impact, solar-driven-fuel-production by exploiting anthropogenic CO2 emissions appears to be a solution with great potential. The main challenge in artificial photo-induced processes concerns the two-dimensional character of the systems used, due to the low photon penetration depth. This thesis work focuses on the development of alveolar solid foams, derived from integrative chemistry and bearing a hierarchically organized porosity. By TiO2 precursor impregnation, self-standing photocatalysts were synthesized and provided a photon penetration increase by an order of magnitude. Moreover, these solids limit back-reactions by a dilution effect, while ensuring high selectivity towards alkane generations. A kinetic model, based on a mixed formalism of Langmuir-Hinshelwood and Eley-Rideal, is proposed to describe material behavior.

Dans le contexte de la valorisation de la biomasse par catalyse hétérogène, la chimie théorique est essentielle pour guider la détermination de la nature des sites actifs en combinaison avec des caractérisations expérimentales. Ensuite, le mécanisme de réaction peut être étudié pour déterminer l’état de transition et intermédiaire déterminant la vitesse et ensuite concevoir de meilleurs catalyseurs in silico. Nous avons mis en œuvre cette approche dans plusieurs réactions impliquant des alcools qui jouent un rôle clé dans le passage du pétrole à la biomasse comme source de matière première pour les produits chimiques de commodités ou spécialités. Tout d'abord, nous nous sommes concentrés sur l'oxydation des alcools en phase liquide par l'oxygène, une réaction qui nécessite généralement un environnement alcalin, ce qui nuit à l'économie d’atomes du processus car il génère le sel carboxylate au lieu de l'acide carboxylique. Nous avons proposé un modèle d'interface métal / eau basique incluant l'adsorption d'anion hydroxyde. Cet anion charge la surface métallique et modifie son activité catalytique. Ce modèle a tout d’abord été validé en comparant l’activité prédite de Au et de Pt en présence et en l’absence de base, puis a été utilisé pour étudier l’oxydation d’éthoxylates d’alcool par des bimétalliques. Ensuite, nous sommes passés à la déshydratation en phase gazeuse d’alcools en C3 et C4 en utilisant des catalyseurs à base de phosphate. La modélisation des surfaces s’est basée sur des caractérisations expérimentales. La couverture moléculaire de l'eau à la surface en fonction de la pression et de la température a été établie à l'aide de la thermodynamique ab initio. Les simulations de spectres infrarouges d'adsorption de CO, NH3 et C2H2 nous ont permis d'identifier les sites acido-basiques qui jouent un rôle important dans l'investigation du mécanisme de réaction qui a suivi. / In the context of biomass valorization by heterogeneous catalysis, computational chemistry is key to provide guidance to establish the nature of the active sites in combination with experimental characterizations. Then, the reaction mechanism can be studied to determine the rate determining transition state and intermediate and further design in silico better catalysts. We implemented this approach in several reactions involving alcohols that are key in the shift from a petroleum chemical feedstock to a biomass-based feedstock. Firstly, we focused on liquid phase alcohol oxidation by oxygen, a reaction that generally requires an alkaline environment, which is detrimental to the atom economy of the process since it generates the carboxylate salt instead of the carboxylic acid. We proposed a model of metal/basic water interface that includes the adsorption of hydroxide anion. It charges the metallic surface and modifies its catalytic activity. This model was first validated comparing the predicted activity of Au and Pt in presence and in absence of a base, and then used oxidation of alcohol ethoxylates by bimetals. Then, we switched to gas phase dehydration of C3 and C4 alcohols using phosphate-based catalysts. The modeling of the surfaces was based on experimental characterizations. The molecular coverage of water on the surface in function of the pressure and temperature was established using ab initio thermodynamic. The simulations of infrared spectra of CO, NH3 and C2H2 adsorption allowed us to identify the acido-basic sites which play an important role in the reaction mechanism investigation that followed.

La qualité de l'air intérieur est devenue une préoccupation de santé publique du fait notamment de l'augmentation du temps passé dans les environnements intérieurs et les espaces clos. L'objectif de ce travail est de développer des procédés mettant en œuvre la décharge couronne afin de traiter les polluants gazeux chimiques et particulaires dans l'air intérieur. Le premier volet du travail concerne la dégradation des polluants gazeux chimiques présents en très faibles concentrations dans l’air intérieur. Le couplage d’une décharge couronne et d’un catalyseur est mis en œuvre pour dégrader du toluène dans des conditions représentatives de l’air intérieur. Cette étude démontre la très bonne efficacité de la décharge couronne vis-à-vis du toluène avec de faibles densités d’énergie. Elle identifie les conditions opératoires optimales et propose des mécanismes réactionnels suite à l’identification des principaux produits de réaction. Cependant, le plasma génère des espèces indésirables comme l'ozone et les oxydes d'azote qui doivent impérativement être détruits. Nous avons choisi d'adjoindre à la décharge couronne un catalyseur à base d'oxydes de métaux de transition (MnOx/Al2O3). Différents catalyseurs sont synthétisés puis modifiés par greffage d’agents modifiants. Leur efficacité vis-à-vis de l’ozone et des NOx est quantifiée en présence de différentes teneurs en vapeur d’eau. Le deuxième volet concerne la collecte des particules par filtration électrostatique. Trois procédés sont étudiés ; ils associent un étage d’ionisation et un étage de collecte. L’ionisation est assurée soit par un électrofiltre fil-plaque soit par des aiguilles portées à un potentiel de quelques kilovolts. L’efficacité de collecte est mesurée dans la gamme de 10 nm à 20 µm en fonction de différents paramètres opératoires (tension, polarité, vitesse, paramètres géométriques, concentration en particules, humidité, etc.). Les aiguilles ont une efficacité légèrement inférieure à celle de l’électrofiltre mais présentent une très faible production de l'ozone et une consommation énergétique moindre. L’étude paramétrique permet de dimensionner, d'optimiser la géométrie du procédé et de définir les meilleures conditions de fonctionnement / Indoor air quality has become a public health issue because of the increased time spent in indoor environments and confined spaces. The goal of this work is to develop processes using corona discharge to treat chemical gaseous and particulate pollutants in indoor air. The first part of the work concerns the degradation of chemical gaseous pollutants present in very low concentrations in indoor air. The coupling of a corona discharge and a catalyst is implemented to degrade toluene under conditions representative of the indoor air. Tests were carried out under a range of operating and environmental conditions. This study demonstrates the very good efficiency of the corona discharge for toluene with very low specific density. Optimal operating conditions are identified and reaction mechanisms are proposed following the identification of the main reaction products. However, the generations of by-products, ozone and NOx, which can be hazardous compounds, have to be taken into account. The combination of corona discharge with catalysis seems as a promising way to ensure the suitability and the safety of non-thermal plasma as an indoor air cleaner. Different catalysts based on transition metal oxides (MnOx/Al2O3) are synthesized and then modified by grafting modifying agents. Their efficiency for ozone and NOx elimination is quantified in the presence of different water vapor contents. The second part concerns the particle collection by electrostatic precipitation. Three processes are studied; they combine an ionization stage and a collection stage. The ionization is ensured either by a wire-plate electrostatic precipitator (ESP) or by needles brought to a potential of a few kilovolts. The collection efficiency is measured in the range of 10 nm to 20 μm according to different operating parameters (voltage, polarity, velocity, geometrical parameters, particle concentration, humidity, etc.). The needles have a slightly lower efficiency than the ESP but present a very low production of ozone and a lower energy consumption. The parametric study makes it possible to dimension, to optimize the geometry of the process and to define the best operating conditions

Des catalyseurs à base d'or supportés sur TiO2, CeO2, ZrO2 et CexZr(1-x)O2 ont été préparés par dépôt-précipitation, utilisant différents agents de précipitation. L'influence des principaux paramètres de préparation sur la formation de nanoparticules d'or (concentration initiale du précurseur, pH, mode de lavage, mode de séchage, prétraitement...) a été étudiée. Ces catalyseurs sont actifs dans l'oxydation voie humide catalytique (OVHC) de composés modèles, tels l'acide succinique, l'acide acétique et le phénol. L'or métallique (Au0) est vraisemblablement l'espèce la plus active dans cette réaction. Toutefois, ces catalyseurs se désactivent dans les conditions de la réaction. Les raisons de cette désactivation sont à la fois l'oxydation superficielle des particules d'or, l'adsorption d'espèces carbonées à la surface du catalyseur et l'agglomération des particules d'or. L'utilisation de supports stables, permettant de renforcer les interactions métal-support, ou encore l'ajout d'un second métal (Ru) afin de bénéficier de l'effet d'alliage au sein de nanoparticules bimétalliques n'amène aucune amélioration sensible

Une organisation contrôlée de la porosité offre l'opportunité de combiner les avantages structuraux des macropores (diamètres supérieures à 50 nm), assurant l'intégrité et l'interconnectivité de l'ossature du matériau, avec ceux des pores plus étroits (méso- et micropores), déployant des surfaces spécifiques réactives importantes. L'élaboration de telles architectures, dites " hiérarchisées ", à l'échelle du laboratoire représente un véritable défi physico-chimique. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'intéresse à l'élaboration de matériaux poreux fonctionnels avancés, s'inscrivant dans le concept de chimie intégrative, en combinant matière molle (mésophases lyotropes, émulsions directes concentrées, auto-assemblages organique-organique, etc.), procédé sol-gel, polymérisation organique et principe de l'empreinte " dure ". Dans une première approche générale, des monolithes hybrides macrocellulaires à base de silice ont été fonctionnalisés par greffage covalent post-synthèse ou par co-condensation de précurseurs organosilanes appropriés. Dès lors, l'encapsulation de complexes luminescents (ions europium), de catalyseurs métalliques piégés dans une phase liquide ionique supportée (sels ou nanoparticules de palladium), ou d'entités biologiques (enzymes hydrosolubles : lipases) a offert une modulation rationnelle des propriétés optiques, catalytiques ou biocatalytiques induites in fine. Dans une seconde approche générale, l'utilisation de monolithes de silice macrocellulaires comme empreintes dures " sacrificielles " a permis la genèse de composés carbonés poreux, associée à un contrôle structural sur plusieurs échelles. Dès lors, une surface spécifique développée et une porosité hiérarchisée, conjuguées à des propriétés intrinsèques opportunes (stabilités thermique et chimique, conductivité électrique), ont offert un large champ d'applications, comme électrodes pour systèmes de stockage de l'énergie électrochimique (batteries Li-ion et condensateurs à double couche électrochimique), sites de nucléation de borohydrures de lithium (LiBH4) pour le stockage de l'hydrogène, ou encore comme électrodes enzymatiques pour biopiles.

Les enjeux actuels pour la valorisation de dérivés de la biomasse donnent à la catalyse hétérogène basique un intérêt nouveau. Dans la mesure où des relations complexes peuvent exister entre la performance d'un catalyseur hétérogène basique et sa force déprotonante, une étude des critères qui influencent la réactivité des solides dans des réactions modèles de basicité et dans une réaction modèle de transestérification a été entreprise. Il apparaît que les réactions faisant intervenir des réactifs faiblement acides (dans notre cas, un alcène), ne peuvent être réalisées que sur des sites qui peuvent interagir fortement avec les acides de Brønsted. Ces sites ne peuvent pas être caractérisés par la force de leur interaction avec une sonde CO2, car nous avons montré que les échelles de basicité selon Lewis et selon Brønsted étaient différentes. En revanche, dans le cas de réactions faisant intervenir des acides plus forts, tels des alcools, plusieurs facteurs sont à considérer. Par exemple, dans la catalyse de la transestérification, la présence de sites pouvant réagir selon une voie acide peut augmenter la puissance catalytique des solides. Par ailleurs, cette étude a permis de dégager des tendances générales sur la structure et la réactivité basique de l'oxyde de magnésium en fonction de son recouvrement en adsorbats hydroxyles et carbonates. Quatre types de carbonates adsorbés ont pu être identifiés, ce qui a permis de mettre en évidence la formation de plans (110) après certains prétraitements. Ces plans, très réactifs, sont particulièrement intéressants pour la catalyse hétérogène basique.

Les réactions pallado-catalysées permettant la formation de liaisons carbone-carbone trouvent de nombreuses applications en synthèse organique et constituent l'étape clé de la synthèse d'un grand nombre de molécules. La première partie de cette thèse décrit la préparation et l'étude de catalyseurs hétérogènes et réutilisables comportant du palladium supporté sur un polymère portant des groupements phosphinés, polymère dérivé soit d'une résine de Merrifield soit d'une résine Rasta. De très bons résultats ont été obtenus pour leur utilisation dans les couplages croisés de Hiyama, Heck et Suzuki et dans chaque cas la possibilité de réutilisation jusqu'à 4 fois du catalyseur a été vérifiée. Notre travail constitue une des premières utilisations d'un catalyseur réutilisable dans le couplage de Hiyama. Nous avons aussi mis au point des conditions permettant d'effectuer le couplage de Heck en présence d'une quantité infime de palladium. Notre étude sur les résines Rasta constitue la première application de ces supports en pallado-catalyse. La deuxième partie de la thèse décrit l'étude de la préparation de catalyseurs où le palladium serait supporté sur des nanoparticules superparamagnétiques et qui pourraient donc être récupérés de tout milieu réactionnel grâce à un champ magnétique externe. Des nanoparticules de cobalt ont été préparées puis recouvertes de pyrocarbone par dépôt chimique en phase vapeur. Des groupements organiques ont été fixés sur la coque de carbone, ce qui permet l'introduction de ligands phosphinés. La structure de ces particules a été étudiée par microscopie électronique en transmission et leur préparation optimisée en fonction des résultats structuraux.

La physico-chimie et l'évolution des différents milieux qui constituent le milieu interstellaire<br />dépendent étroitement de H2, son principal constituant moléculaire. En particulier,<br />la connaissance incomplète du bilan énergétique et de l'efficacité de la réaction de<br />formation d'hydrogène moléculaire par catalyse hétérogène sur les grains de poussière est<br />une source importante d'incertitude dans la description de la dynamique du milieu, notamment<br />lors de la formation d'étoiles. L'´etude de cette réaction et de ses sous-processus<br />(collage et diffusion sur les grains, désorption) est abordée théoriquement et expérimentalement<br />depuis plus de 40 ans.<br />Cette thèse vise par une approche expérimentale à caractériser la réaction de formation<br />d'hydrogène moléculaire à la surface des glaces d'eau. Elle s'articule autour du<br />dispositif FORMOLISM. Ultravide, cryogénie, jets atomiques, spectrométrie de masse<br />et spectroscopie UV sont réunis pour étudier en particulier les effets de l'hétérogénéité<br />et de la porosité de la surface. L'étude de la désorption de l'hydrogène moléculaire s'est<br />révélée indispensable à l'interprétation des expériences de formation. Nous avons mesuré les distributions d'énergies d'adsorption de H2, HD et D2. Ces mesures permettent<br />d'estimer la quantité d'hydrogène moléculaire en surface des grains interstellaires. La<br />présence d'hydrogène moléculaire modifie l'efficacité de la réaction. Un mécanisme de<br />ségrégation isotopique a été mis en évidence et son importance pour la deutération de<br />l'hydrogène moléculaire en surface des manteaux de glace a été étudiée. Les expériences<br />sur la formation révèlent que sur les glaces poreuses l'énergie dégagée par la réaction est<br />transmise à la surface par la rétention des molécules formées. La réaction reste efficace<br />à des températures plus élevées (20 K) que sur les glaces non poreuses (13 K). Sur ces<br />dernières, les molécules formées sont directement libérées en phase gazeuse où elles sont<br />détectées dans des états rovibrationnellement excités.

Cette thèse porte sur la modélisation multi-échelle des réactions en catalyse hétérogène de polyols sur une surface de platine 111, en phase aqueuse. Ce travail s’inscrit dans l’utilisation de la biomasse lignocellulosique. Les réseaux réactionnels issus du traitement de cette matière première sont très grands en taille, et en complexité. D’autre part, la nature même des molécules la composant impose une chimie en phase aqueuse. Il n’est donc pas possible de cartographier l’ensemble des ces chemins réactionnels avec des méthodes de calcul ab initio, tant les conditions aqueuses et le grand nombre de simulations que cela impliquerai demanderaient d’effort computationnel. Le changement d’échelle de simulation peut répondre à ce problème. Nous avons ainsi développé un modèle d’additivité par groupes permettant la prédiction des propriétés thermodynamiques de réactions de polyols sur platine 111 en phase aqueuse, à partir de la seule structure topologique des réactifs. Ce modèle a été construit sur un jeu de données issus de calculs en théorie de la fonctionnelle de la densité. Nous avons également étudié la cinétique de réactions de mêmes types, afin d’en prédire l’énergie d’activation à partir de leur thermodynamique. En parallèle, nous avons décrit l’influence de la micro-solvatation par rapport à un modèle de solvant implicite sur la réactivité d’alcools sur platine 111, ce qui couplé avec le modèle d’additivité par groupe permettra des simulations micro cinétiques complètes. Enfin, la réactivité des isomères du butanediol a été traitée afin de comprendre l’influence de l’espacement des fonctions alcools sur la réactivité d’un polyol. / This thesis focuses on multi scale simulations heterogeneous catalysis reactions of polyols on platinum (111) in aqueous phase. This work is about lignocellulosic biomass valorisation. The reaction networks raising from these materials are extremely large and complex. Also, the properties of the molecules forming this biomass make aqueous conditions mandatory. Ab initio methods as we know them forbids us to treat entire networks at the finest calculation level, the computational cost would be way beyond feasibility. Changing the simulation scale can tackle this problem. Thus, we developed a group additivity model assessing for thermochemical properties of polyols at a platinum (111) surface under aqueous conditions, with a topology as the only input. This model was built upon a density functional theory set. Kinetics of reactions was also covered, and the difference in terms of impact was investigated between implicit and explicit micro solvation models, in order to predict reaction barriers. The two models might be used together in order to feed a micro kinetic simulation, allowing a drastic decrease of reaction networks complexity. Finally, the influence on reactivity and selectivity, of hydroxyl groups on butanediol isomers was investigated.

Afin de répondre aux nouveaux challenges de l'industrie chimique, le développement de nouveaux réacteurs catalytiques hétérogènes plus efficaces et plus sûrs ainsi que leur compréhension sont nécessaires. Dans cette optique, des réacteurs micro ou milli-structurés ont vu le jour et suscitent un intérêt croissant de par leur capacité à diminuer les phénomènes physiques de limitations aux transferts de mantière et de chaleur. Dans ce travail, deux concepts de réacteurs structurés dédiés au milieu gaz-liquide solide sont étudiés. Le premier est un réacteur à film tombant microstructuré (FFMR) dans lequel des canaux sub-millimétriques, rectilignes et verticaux permettent de stabiliser et d'amincir un film liquide en écoulement, générant des aires d'interfaces très importantes. Disponible commercialement, il présente un très bon potentiel pour la mise en oeuvre de réactions à fortes contraintes mais pour de petites productions. Le second réacteur est quant à lui nouveau. Des mousses à cellules ouvertes métalliques sont utilisées comme support de catalyseur structurant confiné dans un canal de section millimétrique carrée et soumis à un écoulement de Taylor G-L préformé. Pour chaque réacteur, l'hydrodynamique des écoulements est étudiée par le développement de techniques microscopiques et leurs aptitudes aux transferts de masses sont évaluées par la mise en oeuvre de la réaction catalytique d'hydrogénation de l'α-methylstyrène. Il en ressort que les écoulements particuliers rencontrés dans ces deux objets permettent d'atteindre des capacités de transferts de matières supérieurs d'au moins un ordre de grandeur aux technologies usuelles pour un coût énergétique, lié à l'écoulements des fluides, faible. Par ailleurs, des éléments de dimensionnement (hydrodynamique, perte de charge et transferts de matière) ont été construits pour les deux réacteurs / To meet the new challenges of the chemical indutries, the developpement of new heterogeneous catalytic reactors and their understanding are mandatory. From these perspectives, new reactor designs based on structuring at micro or millimeter scales have emerged. They have sparked interest for their ability to decrease physical limitations for heat and mass transfers. Thus, two advanced reactor technologies for gas-liquid-solid catalysed reactions are studied. The first reactor is a micro-structured falling film (FFMR) in which vertical sub millimetric grooves are etched and coated with a catalyst. This structuration allows stabilizing the gas-liquid interface of a down flow liquid phase. A thin liquid film is generated leading to high specific surface areas. Commercially available, it represents a very good potential for performing demanding reactions (i.e.fast, exothermic) for small scale productions such as pharmaceuticals. In a second part, a new reactor concept is proposed. Open cell foams are used as catalyst support and inserted in a milli-square channel. The reactor is then submitted to a preformed gas-liquid Taylor flow. In both cases, hydrodynamics features are studied by using microscopy based methods. Their potential in terms of mass transfers are also studied by performing catalyzed α-methylstyren hydrogenation. For both reactors, it comes out that the particular flow induced by micro or milli structures leads to at least one order of magnitude higher mass transfers performances than mutliphase reactors currently used in the industry albeit it remains to be demonstrated at such scale. From all these studies, correlations, models and methods for chemical engineers (hydrodynamics, pressure drops, mass transfer) are proposed for the two reactors