Les catalyseurs bimétalliques sont reconnus pour promouvoir les performances de nombreuses réactions catalytiques. Les connaissances des propriétés de surface ; notamment l’interaction entre les couches bimétalliques et le support, composants catalytiques, servent à améliorer le design des catalyseurs. Dans cette thèse, le dépôt de couches minces Ni-Co sur un monocristal ZnO a été étudié en tant que catalyseur modèle pour le vapo-réformage de l’éthanol. L’objectif du travail estd’élargir les connaissances fondamentales de l’influence des propriétés de surface (i) sur le mécanisme et (ii) sur l’efficacité de la réaction. Dans un premier temps, l’interaction entre les atomes Ni et Co sous atmosphère oxydante par spectrométrie de photoélectrons de rayons X (XPS) a été étudiée. L’oxydation du Co est favorisée ; la surface est enrichie par CoO sur Ni. Ensuite, les couches minces de Ni-Co sur monocristal polaire ZnO, possédant deux terminaisons -O et –Zn, ont été étudiées par XPS couplé à un synchrotron. L’interaction métal-support a mis en évidence que Co est oxydé dès que celui-ci est déposé à température ambiante. L’interaction entre la molécule d’éthanol et le catalyseur Ni-Co/ZnO-Zn a été étudiée par spectrométrie de masse de thermodésorption (TDS). L’éthanol se décompose par différentes voies sur Ni/ZnO-Zn et Co/ZnOZn. Ni/ZnO-Zn favorise la rupture de la liaison C-C et permet la production de méthane, tandis que Co/ZnO-Zn favorise la déshydrogénation du méthyle. Enfin, nous avons étudié le vapo-réformage de l’éthanol sur les nanopoudres de Ni-Co in-situ par XPS à pression ambiante. La sélectivité en produits sur Co est très différente de celle du Ni et Ni-Co. De plus, la déshydrogénation du méthyle et la production de CO peut entrainer la formation d’une grande quantité de carbone sur Co / Bimetallic catalysts have been widely exploited to improve the performance of various catalytic reactions. Understanding the surface properties and in particular, bimetallic interaction and support effect of the catalytic components is an important step towards rational catalyst design. In this thesis, Ni-Co thin film on polar ZnO single crystal was studied as a model catalyst for ethanol steam reforming reaction. The aim is to provide fundamental understanding of how the surface characteristics of the catalyst influence the mechanism and the efficiency of the reaction. This study focused firstly on the study of the interaction between Ni and Co in oxidative environment using Xray photoelectron spectroscopy (PES). Oxidation of Co is favoured over nickel and the surface is enriched with cobalt oxide. Secondly, Ni-Co thin film supported on polar Zn and O terminated ZnOwas studied by synchrotron based PES. The as deposited layer interacts readily with ZnO and Co is partially oxidized upon deposition, even at room temperature. The interaction of ethanol with Ni- Co/ZnO-Zn was studied by thermal desorption spectroscopy (TDS). Ethanol decomposes in different pathways on Ni and Co, in which C-C bond scission and methane production are favoured on Ni/ZnO-Zn while dehydrogenation is favoured on Co/ZnO-Zn. Finally, Ni-Co powder was studied byin-situ ambient pressure PES under reaction conditions in order to clarify the correspondence between the active state of the catalyst and the reaction activity. The product selectivity on Co catalyst is distinctly different from Ni and Ni-Co. Also, the decomposition of methyl group and the high amount of CO produced over Co is likely to be the cause for its high level of carbon deposition.

L'interaction métal-support (MSI) joue un rôle important dans la catalyse hétérogène. La compréhension et la modification du MSI sont des étapes essentielles pour développer catalyseurs de haute performance. Dans cette thèse, un nouveau concept, qu’il s’agit de recouvrir le support l'oxyde avec un revêtement mono-couche de graphène, a été proposé pour modifier le MSI. L'influence de la couche de graphène sur les interactions de métal (Co et Co-Pt) - oxyde (ZnO et SiO2) et sur les propriétés d'oxydo-réduction des particules métalliques ont été évaluées via des systèmes catalytiques de modèle. Les résultats ont montré que la mono-couche de graphène peut influencer considérablement les états d'oxydation et les morphologies des Co monométallique et Co-Pt bimétallique par rapport aux ceux résultent d’un dépôt direct sur les oxydes nus. En particulier, par calcination sous vide, le graphène protége Co d'être oxydé par ZnO, ce qui conduit à la formation d’un mélange métallique Co-Pt. Co interagit avec les substrats d'oxydes pour former des particules plates qui sont facilement oxydés par O2 en pression faible, tandis que l'insertion d'une couche intermédiaire de graphène entre la couche supérieure métallique et le supporte d’oxyde entraîne la formation des nanoparticules de Co en état très dispersés, qui sont résistants à l'oxydation. Sous la condition de réduction par H2, le graphène favorise clairement la réduction de Co. La quantité de dépôt de Co, le substrat d'oxyde, la température de calcination et l'environnement ont été prouvés pour pouvoir influencer la stabilité de graphène. Ces résultats ouvrent des nouvelles voies possibles d'utiliser le graphène comme promoteur dans des réactions catalytiques à l'avenir. / The metal-support interaction (MSI) plays an important role in heterogeneous catalysis. Understanding and tuning the MSI are essential steps for developing catalysts with high performance. In this thesis, a new concept, which is coating the oxide supports with a single layer graphene, was introduced to modify the MSI. The influence of graphene layer on the metal (Co and Co-Pt) – oxide (ZnO and SiO2) interactions and on the redox properties of metal particles were evaluated through model catalyst systems. The results showed that single layer graphene can significantly influence the oxidation states and morphologies of both mono Co and bimetallic Co-Pt as compared to the one after direct deposition on bare oxides. In particular, under vacuum annealing, graphene protects Co from being oxidized by ZnO and results in Co-Pt metallic mixture. Co interacts with oxide substrates forming flat particles which are easily oxidized by low pressure O2, while insertion of a graphene interlayer between the metal overlayer and the oxide supports leads to the formation of highly dispersed Co nanoparticles, which are resistant to oxidation. Under H2 reduction condition, graphene evidently facilitates the reduction of Co. The deposition amount of Co, the oxide substrate, the annealing temperature and the environment were proved to influence the stability of graphene. These results explore new directions for the possible future of using graphene as a promoter in catalytic reactions.

Les simulations numériques ont négligé jusqu’ici l’influence du support de silice amorphe sur la structure des nanoparticules métalliques déposées car l’interaction métal-silice amorphe est faible. Toutefois les études expérimentales montrent un effet de troncature sur la structure des nanoparticules. L’idée de ce travail a donc été d’étudier l’influence de ce support sur la structure et la morphologie des nanoparticules d’argent au moyen de la modélisation moléculaire (Monte Carlo et dynamique moléculaire). L’objectif de ce travail a été tout d'abord de déterminer le potentiel interatomique permettant de décrire l’interaction argent-silice. Ce potentiel a été obtenu sur la base des données expérimentales d'angles de mouillages en phase liquide et en phase solide. D’autre part, l'intensité d'interaction argent-silice a été déterminée par calculs DFT sur la cristobalite qui est un polymorphe de la silice cristalline présentant la même densité que la silice amorphe. Les énergies d'adhésions obtenues ont ainsi permis d'ajuster les paramètres du potentiel argent-silice de type Lennard-Jones. L’étude de la stabilité structurale des nanoparticules d'argent supportées à température nulle a été effectuée pour trois degrés d'approximation du support. (1) : un support parfaitement lisse décrit par un puits carré dont la profondeur est reliée à l’énergie d’adhésion, (2) : un support atomique de silice amorphe de surface plane et (3) : un support atomique de silice amorphe présentant une rugosité de surface. L’influence de la température sur la structure a été étudiée par fusion et recristallisation des nanoparticules d’argent sur les deux supports de silice amorphe. Afin d’étudier la stabilité structurale des nanoparticules en température, le calcul d’énergie libre des nanoparticules a été abordé. / Numerical simulations have so far neglected the influence of amorphous silica substrate on the structure of metallic nanoparticles due to its relatively weak interaction with deposited nanoparticles. However, experimental studies have often shown a truncation effect on the structure of nanoparticles. The idea of this work was to study the influence of this substrate on the structure of silver nanoparticles using molecular modeling (Monte Carlo and molecular dynamics). The objective of this work was firstly to determine silver-silica interatomic potential. This was achieved using experimental data of wetting angles in solid and liquid phase. On the other hand, silver-silica interaction intensity was determined by DFT calculations on cristobalite which is a polymorph of crystalline silica having the same density as amorphous silica. The adhesions energies obtained were used to fit the Lennard-Jones parameters for the silver-silica interaction. The study of the structural stability of silver nanoparticles supported at zero temperature was performed for three levels of approximation of the support. (1): the smooth wall approximation where the support is described by a square-well whose depth is related to the adhesion energy of the nanoparticle, (2): an atomistic model of flat amorphous silica, (3): an atomistic model of rough amorphous silica. The influence of the temperature on the structure was investigated by melting and recrystallization of the silver nanoparticles deposited on the two silica supports. In order to study the temperature stability of the nanoparticles the free energy calculation of the nanoparticles was discussed.

De nos jours, les matériaux carbonés macroscopiques font face à un nombre croissant d'applications en catalyse, soit en tant que supports, soit directement en tant que catalyseurs sans métal. Cependant, il reste difficile de développer un support de catalyseur hiérarchisé à base de. carbone ou un catalyseur utilisant un procédé de synthèse beaucoup plus simple. À la recherche de nouveaux matériaux carbonés structurés pour la catalyse hétérogène, nous avons exploré le potentiel du feutre de carbone / graphite du commerce (FC / FG). Le but du travail décrit dans cette thèse a été le développement du monolithe FG et FC en tant que catalyseur sans métal pour les réactions d’oxydation en phase gazeuse et en tant que support de catalyseur, notamment pour le palladium, pour les réactions d’hydrogénation en phase liquide, et leur rôle dans la performance de réaction de ces catalyseurs. En raison de leur surface de chimie inerte avec une mouillabilité inappropriée, une telle étude avait pour condition d'activer celles d'origine. Par conséquent, des FG et des FC modifiés bien arrondis ont été synthétisés avec des propriétés physico-chimiques adaptées par une série de procédés de traitement chimique, tels que l'oxydation, l'amination, la thiolation, le dopage à l'azote et au soufre. L’oxydation partielle du sulfure d’hydrogène en soufre élémentaire et l’hydrogénation sélective du cinnamaldéhyde α, β-insaturé, en tant que réactions sensibles à l’effet des propriétés du catalyseur sur l’activité et la sélectivité, combinées à des techniques de caractérisation, ont été choisis pour étudier l’effet de la matériaux carbonés sur le comportement catalytique. / Nowadays, macroscopic carbon materials are facing an increasing number of applications in catalysis, either as supports or directly as metal-free catalysts on their own. However, it is still challenging to develop hierarchical carbon-based catalyst support or catalyst using a much simple synthesis process. In the quest for novel structured carbon materials for heterogeneous catalysis we explored the potential of commercial carbon/graphite felt (CF/GF). The aim of the work described in this thesis has been the development of GF and CF monolith as metal-free catalyst for gas-phase oxidation reactions and as catalyst support, notably for palladium, for liquid-phase hydrogenation reactions, and their roles in the reaction performance of these catalysts. Due to their inert chemistry surface with inappropriate wettability, a prerequisite for such a study was to activate the origin ones. Therefore, well-rounded modified GFs and CFs were synthesized with tailored physic-chemical properties by a series of chemical treatment processes, such as oxidation, amination, thiolation, nitrogen- and sulfur-doping. The partial oxidation of hydrogen sulfide into elemental sulfur and selective hydrogenation of α, β-unsaturated cinnamaldehyde, as the sensitive test reactions to the influence of the catalyst properties on activity and selectivity, combined with characterization techniques, were chosen to investigate the effect of functionalized carbon materials on the catalytic behavior.