Today, zeolites play a considerable role in many industrial fields, especially in heterogeneous catalysis. Well-defined microporous structure combined with acidity provides exceptional size and shape selectivity, making zeolites indispensable in petrochemistry. However, the micropores can cause diffusion limitations and, in turn, a drop in reaction rate and selectivity. Hence, the development of modification methodologies on zeolite textural properties is one of the attention-grabbing research topics nowadays. For example, to overcome transport limitations in zeolites, the particle size can be reduced, or a system of larger auxiliary pores can be introduced [1]. One of the most promising methods for introducing secondary pores on a large scale is desilication since it is low-cost, versatile, and easy [2]. Despite its simplicity, the desilication mechanism is still a matter of discussion. In detail, it is not well-understood: 1. The influence of different species on mesopore formation kinetics 2. How aluminum is assembled back into the zeolite 3. Which types of aluminum species form throughout the treatment. The present study tries to answer these questions by relating ex-situ and in-situ NMR. The proposed ex-situ 29Si MAS NMR approach allows monitoring the development of mesoporosity and silicon extraction by analyzing Q3 and Q4 changes. The combination of ex-situ with in-situ 29Si MAS NMR study showed that the limiting step of Si extraction is the transformation of Q3 into Q2. 27Al MAS NMR combined with MQMAS showed the formation of new aluminum species after desilication. It was shown that some of the Al framework T-sites might dissolve during alkaline treatment. In-situ 27Al NMR indicates redistribution of dissolved aluminum upon desilication.

No description available.

Biomass is one of the most promising replacements for fossil fuels as a feedstock for chemical and transportation fuel production. The combination of low vapor pressure and high polarity of most biomass derived molecules makes water the ideal solvent for biomass upgrading reaction schemes. Metal oxide and metal oxide supported catalysts are heavily used in oil refining and petrochemical production, and are capable of upgrading biomass molecules as well. However, the surface chemistries that dictate the behavior of aqueous phase biomass upgrading reactions over metal oxide catalysts are not nearly as well understood as in the case of gas phase hydrocarbon refining systems. This dissertation aims to investigate the surface chemistries of biomass derived oxygenate molecules on metal oxide and metal oxide supported metal catalysts. There are three main objectives in this dissertation: to understand how two and three carbon polyols interact with metal oxide surfaces, to elucidate the role of various surface sites on polyol-metal oxide interactions, and to discover the surface species of kinetic importance in aqueous phase reforming reactions of biomass molecules. Transmission infrared spectroscopy and density functional theory modeling were the major techniques used to demonstrate that polyols with alcohol groups on the first and third carbons, 1,3-propanediol and glycerol, form a multidentate surface species with a bridging alkoxide bond and an acid/base interaction through their two primary alcohol groups with Lewis acid sites of g-Al₂O₃. These interactions occur in the presence of bulk water. Polyols with alcohol groups only on the first and second carbons, ethylene glycol and 1,2-propanediol, only formed alkoxy bonds with the g-Al₂O₃ surface when bulk water was not coadsorbed, and these bonds were removed by re-adsorbing water. Glycerol also forms the same surface species on other metal oxides with strong Lewis acidic character: TiO₂ anatase, ZrO₂, and CeO₂. Glycerol only forms hydrogen bonds with MgO, which lacks strongly Lewis acidic sites. Basic surface hydroxyls and surface oxygen atoms of the metal oxides only played a minor role in interacting with the adsorbed glycerol. In-situ attenuated total reflectance infrared spectroscopy demonstrated that the aqueous phase reforming of glycerol over a 5 wt% Pt on g-Al₂O₃ catalyst is hindered by residual platinum bound hydrogen or oxygen atoms from commonly utilized catalyst reduction or cleaning procedures, respectively. A pretreatment consisting of multiple iterations of dissolved oxygen, dissolved hydrogen, and dissolved helium in water flow periods provides the cleanest Pt surface for monitoring carbon monoxide formation dynamics, and allows for observing the rate limiting step of the aqueous phase reforming reactions water-gas shift removal of Pt bound carbon monoxide. The bridging bound carbon monoxide is preferentially removed over the linearly bound species via water gas shift reactions even at room temperature.

Les  catalyseurs impliqués dans le procédé d’hydrodésulfurisation des essences (HDS) reposent sur l’utilisation principale d’une phase active MoS2 promue par du cobalt et supportée sur alumine. L’enjeu de cette thèse est de faire le lien entre les propriétés spécifiques propres du catalyseur et ses performances catalytiques. Trois paramètres ont été étudiés afin de tenter de comprendre l’origine de leurs propriétés catalytiques : la nature du support (γ-Al2O3, δθ-Al2O3, SiO2), la densité surfacique en molybdène et le ratio cobalt/molybdène. L’activité HDS et la sélectivité ont été mesurées en réalisant des tests catalytiques sous haute pression en présence de molécules modèles. En parallèle, la phase CoMoS a été caractérisée  par XPS et HRTEM pour déterminer sa spéciation et sa structure (taille de feuillet et empilement). De plus, ces deux techniques combinées aux calculs quantiques ab initio ont permis de développer un modèle morphologique 2D d’un feuillet de phase CoMoS en dénombrant la nature (Co ou Mo) des atomes localisés aux bords du feuillet. Pour les supports étudiés, une corrélation entre l’activité HDS et le nombre d’atomes de cobalt aux bords du feuillet CoMoS a été établie. Ceci a été possible en considérant aussi l’empilement, paramètre pertinent. Ensuite, les analyses en HRSTEM réalisées sur les catalyseurs CoMoS sur γ et δ-Al2O3 ont révélé l’effet des facettes de l’alumine d d’une part, et le possible effet des arrêtes et coins de γ-Al2O3 d’autre part, sur la taille des feuillets CoMoS.Une étude spectroscopique FTIR de l’adsorption de la molécule sonde NO combinée à des calculs ab initio, a permis de mettre en évidence la nature des sites actifs de la phase CoMoS en fonction du support étudié. Les résultats spectroscopiques obtenus en présence du catalyseur supporté sur silice se sont révélées en adéquation avec la faible activité HDS observée.Une unité a également été conçue dans le but d’étudier ces catalyseurs par GC-DRIFT and GC-ATR in situ. La mise en contact de réactifs modèles en présence de la phase CoMoS et de son support dans des conditions de réaction d’HDS a alors pu être réalisée pour la première fois. Lors de l’adsorption et désorption du 3-methylthiophene (non réversible et réversible) sur les catalyseurs supportés sur γ-Al2O3 et SiO2, une réactivité particulière en présence de 3MT a été observée selon le support et la présence de la phase CoMoS. En présence d’H2, de nouveaux modes  vibrationnels liés à l’adsorption et/ou à la réactivité du 3MT ont été mis en évidence. / Catalysts used in the selective gasoline hydrodesulphurization (HDS) process are mainly cobalt promoted MoS2 active phase (CoMoS) supported on alumina. The aim of this work is to explore correlation between specific features of those HDS catalysts and their catalytic performances. Three parameters are studied to understand the catalytic performances of HDS catalysts: the nature of the support (γ-Al2O3, δθ-Al2O3, SiO2), the molybdenum surface density and the cobalt/molybdenum ratio. HDS activity and selectivity are measured by performing high pressure catalytic tests on model molecules. In parallel, characterizations of the CoMoS phase were performed by XPS and HRTEM analysis to determine the chemical speciation and structure (size and stacking) of the active phase. Additionally, these techniques are combined with previous ab initio quantum calculations to develop a 2D morphology model of the CoMoS slab by considering the location of cobalt atoms at the edges of the slab. For the three supports, a correlation is found between the HDS activity and the number of Co atoms at the slab edges. The normalization by stacking appears to be necessary to obtain this correlation. Moreover, HRSTEM analysis on CoMoS on δθ-Al2O3 and γ-Al2O3 reveals the impact of the facets of dq-alumina crystallites and the possible role of corner and edges of g-Al2O3 crystallites on the size of the CoMoS slabs. The FTIR spectroscopic study of the adsorption of the NO probe molecule combined with ab initio calculations enables the identification of the nature of the active sites of the CoMoS phase as a function of the support. The spectroscopic features revealed for the silica supported catalyst are in line with its lower HDS activity. Simultaneously, an innovative experimental set up for in situ GC-DRIFT and GC-ATR analysis has been built on-purpose for studying the catalysts. It allows the investigation of the interactions of model reactants contacting the CoMoS phase and its supports close to HDS reaction conditions. This technique shows distinct behaviors of the adsorption and desorption process (non-reversible and reversible) of 3-methylthiophene (3MT) on γ-Al2O3 and SiO2 supported catalysts due to specific surface reactivity towards 3MT depending on the support and the presence of the CoMoS phase. Moreover, the presence of H2 modified the vibrational adsorption modes of 3MT linked to its adsorption and/or reactivity.

L’accident de Fukushima a montré que sous certaines conditions, un accident de fusion du cœur (jugé hautement improbable) peut survenir et engendrer des conséquences dramatiques en termes de rejets de produits radioactifs dans l’environnement. La mise en place d’adsorbants poreux type zéolithe dans les filtres d’éventage constitue une solution prometteuse afin de limiter la dissémination de produits radioactifs notamment les espèces iodées volatiles, vers l’environnement. Dans cette étude, nous avons cherché à évaluer dans quelle mesure les propriétés structurales et chimiques d’adsorbants poreux essentiellement des zéolithes à l’argent, pouvaient affecter leurs performances vis-à-vis de la rétention d’I2 et de CH3I. Dans ce but, nous avons mis en relation les données issues de la caractérisation des différentes formulations zéolithiques (DRX, ATR/IR, DRIFTS du CO adsorbé, MEB, MET, et DR-UV-Vis) avec les données recueillies lors des tests dynamiques d’adsorption en phase gazeuse (capacités d’adsorption, facteurs de décontamination, stabilité thermique du piégeage). Ensuite, le comportement des zéolithes dans des conditions plus représentatives d’un accident grave (hautes températures, présence d’inhibiteurs, irradiation…) a été étudié pour les adsorbants les plus intéressants. Nous avons également cherché à mieux élucider les mécanismes de piégeage en utilisant à la fois une approche expérimentale (spectroscopie in situ) et théorique (DFT). D’une manière générale, nous avons trouvé que les capacités d’adsorption pour CH3I dépendent surtout de la quantité des sites argent présents à l’état dispersé dans la charpente sous forme de cations Ag+ et de petits clusters, mais également de paramètres structuraux tels que la taille des pores. D’autre part, une méthodologie particulière a été développée afin de quantifier les différentes formes piégées et ainsi de mieux comprendre l’effet des paramètres structuraux sur la stabilité thermique du piégeage, notamment sous forme de précipités AgI. Il a été montré que la stabilité du piégeage est fortement influencée par le taux d’échange et par la nature de la structure zéolithique. La combinaison des techniques spectroscopiques in situ infrarouges et UV-Vis a été également utilisée dans le but d’élucider le mécanisme de piégeage de CH3I par les zéolithes à l’argent. D’une part, la réactivité des espèces d’argent ainsi que leur transformation en AgI a été suivie par DR-UV-Vis. D’autre part, les schémas réactionnels mettant en jeu la partie carbonée ont été établis en utilisant la spectroscopie IR à la fois en phase adsorbée (DRIFTS) et en phase gazeuse (FTIR). La formation des précipités AgI est initiée à 100°C par la dissociation de CH3I (partielle à cette température) sur les sites acides de Brönsted de la zéolithe et les sites argent. Ensuite, des espèces moléculaires AgI puis des clusters (AgI)n sont formés dans les supercages de la structure faujasite. En présence d’humidité ou à des températures plus élevées, certains précipités AgI peuvent former des entités plus larges sur la surface externe (phase AgI détectée en DRX après test). D’autre part, la décomposition thermique et catalytique des espèces méthoxy donne lieu à la formation de nombreux sous-produits (MeOH, MeOMe, alcanes, alcènes…). Parmi tous les adsorbants testés, les zéolithes échangées Ag/Y ont affiché les meilleures performances de rétention. Des résultats encourageants en présence d’inhibiteurs, sous irradiation et aux faibles concentrations ont été également obtenus pour les zéolithes faujasites argentées (type Y). L’ensemble des résultats obtenus permet d’envisager l’utilisation de certaines formulations dans une application nucléaire type accident grave, mais également de développer de nouvelles connaissances notamment en ce qui concerne d’autres nouveaux adsorbants (Metal Organic Framework MOF et silices mésoporeuses argentées ou fonctionnalisées) / A severe nuclear accident (as Fukushima) may induce dramatic consequences in terms of radiological releases into the environment. The combination of current filtration devices (such as aqueous scrubbers and sand bed filters) with an additional filtration stage made of inorganic porous adsorbent (zeolite) constitute a promising solution in order to avoid the release of radioactive iodine species. The present study aims to establish some correlations between chemical and structural parameters of porous adsorbents mainly silver-zeolites, on the one hand, and adsorption properties towards I2 and CH3I on the other hand. The role played by various zeolitic parameters was assessed by combining adsorption data in gaseous phase (adsorption capacity, decontamination factors, trapping stability) together with physico-chemical data obtained from characterization studies (XRD, ATR/IR, DRIFTS of adsorbed CO, SEM, TEM and DR-UV-Vis). Then, the effect of adsorption temperatures, potential inhibitors and irradiation was also discussed for the most interesting adsorbents in order to extrapolate to severe accidental conditions. The trapping mechanism was also investigated using in-situ spectroscopic accessories as well as theoretical calculations by DFT. It was shown that CH3I adsorption capacities are mainly dependent on the amount of silver that could be deposited in dispersed form (as Ag+, and small clusters) within the internal framework, as well as structural parameters such as pore size. On the other hand, a specific methodology was applied in order to quantify the different forms of stored iodine and therefore to better assess the influence of structural parameters on the trapping thermal stability. It was found that the trapping stability is mainly dependent on silver exchange level and on the nature of zeolitic structure. For the first time, the combination of several spectroscopic techniques was also implemented. On the one hand, in situ Diffuse Reflectance UV-Vis Spectroscopy (DRS-UV-Vis) was employed in order to monitor the evolution of silver species during exposure to gaseous methyl iodide. On the other hand, the time- and temperature-evolution of organic species was investigated using in situ Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transformed Spectroscopy (DRIFTS) combined with gas-phase reactor measurements. The first step is the dissociation of some CH3I molecules, which is catalyzed by the acidic and silver sites of the zeolite. The dissociated I is then captured by silver to form molecular and clustered AgI entities within the zeolite supercages, which can coalesce and sinter on the external surface upon prolonged exposure to humidity to form silver iodide precipitates (detected by XRD). On the other hand, the carbonaceous part of the CH3I molecules undergo successive catalytic transformations at medium temperatures with zeolite active sites, to yield different by-products (MeOH, DME, higher alkanes, alkenes…). Among all the investigated sorbents for iodine species retention, Ag/Y zeolites have displayed the best retention performances. Promising results were also found in the presence of inhibitors, under irradiation and for low concentrations. The obtained results allow to consider using some of the tested formulations for a nuclear severe accident application, but also to give insights about the behavior of other new adsorbents (Metal Organic Framework MOF and silver-impregnated or functionalized mesoporous silica)

Die Anpassung der Bandlücke und die Herstellung mittels lösungsbasierter Prozesse charakterisieren Metallhalogenid-Perowskite. Sie sind vielversprechend für die Anwendung in optoelektronischen Bauteilen, die die Abscheidung von hochwertigen Dünnschichten erfordern. Deren Qualität hängt stark vom Kristallisationsverhalten ab, welches durch die Komposition der Lösung bestimmt ist. Ziel dieser Arbeit ist es, Korrelationen im Präkursor-Prozess-Eigenschaftsraum von Metallhalogenid-Perowskit zu bewerten und Formierungsprozesse zu rationalisieren. Phasenreinheit, Morphologie und Absorptionseigenschaften zeichnen die Qualität der Perowskit-Dünnschichten aus. Die Optimierung der Herstellung von hochwertigen Filmen über einen breiten Bandlückenbereich wird zuerst beleuchtet. Die Rationalisierung der Formierungsprozesse erweist sich als fundamental, um reproduzierbare Präparationsroutinen für hochwertige Filme zu entwickeln. Anschließend wird ein optischer in-situ Aufbau zur Rationalisierung von Formierungsprozessen vorgestellt. Abhängig vom Halogenidverhältnis in der MAPb(IxBr1-x)3-Reihe werden verschiedene Formierungswege eingeschlagen. Während sich das reine Bromid direkt und Iodid reiche Perowskite über die intermediäre Solvatphase (MA)2(DMSO)2Pb3I8 bilden, bilden sich gemischte Halogenide zwischen 0.1 ≤ x ≤ 0.6 über beide Wege. Die Formierung über konkurrierende Wege erklärt die kompositorische Heterogenität der gemischten Halogenidproben. Zuletzt werden Formierungsprozesse von Bromid-Perowskiten rationalisiert und Abhängigkeiten der Kinetik von der Lösungskonzentration zeigen sich. Niedrige Konzentrationen führen zu einer beschleunigten Kristallisation und Schichtdickenabnahme des Nassfilms. Dieser Trend wird durch geringere Kolloidwechselwirkungen und niedriger koordinierte Blei-Bromid-Komplexe in verdünnten Lösungen erklärt. Die Korrelation im Präkursor-Prozess-Eigenschaftsraum hebt die Herstellung von Perowskiten aus chemischer Sicht zu einem nicht-trivialen Prozess. / Bandgap tunability by ion substitution and the fabrication due to solution-based processes characterize metal halide perovskites. They are promising for application in various thin-film opto-electronic devices, which require the deposition of high-quality thin-films. The quality strongly depends on the crystallization behavior predetermined by the precursors in solution. This thesis aims to evaluate correlations in the vast precursor-process-property space of metal halide perovskite and rationalizes formation processes. Phase purity, morphology, and absorption properties determine the perovskite thin-film quality. The first part focuses on optimizing the perovskite fabrication to obtain high-quality films over a wide bandgap range. From high-quality films, the exciton binding energy is determined. The rationalization of formation processes proves essential to design reproducible preparation routines for high-quality films. The second part presents an optical in-situ setup to rationalize perovskite formation processes. Different formation pathways are taken, depending on the halide ratio in the MAPb(IxBr1-x)3 series. While the pure bromide forms directly and iodide-rich perovskites form via the intermediate solvate phase (MA)2(DMSO)2Pb3I8, mixed halides between 0.1 ≤ x ≤ 0.6 form via both. Such a heterogeneous formation process via two competing pathways rationalizes the compositional heterogeneity of mixed halide samples. The third part focuses on rationalizing the formation process of pure bromide perovskites and reveals a dependency of the formation kinetics on the solution concentration. Lower concentrations lead to accelerated crystallization kinetics and increase wet-film thinning. Lower colloid interaction and lower coordinated lead-bromide complexes in diluted solutions explain this trend. The strong correlation in the precursor-process-property space raises the preparation of perovskites via spin-coating to a non-trivial process from a chemical point of view.