The total amount of plastic wastes produced by our society has been growing rapidly. The low biodegradability of these wastes creates a serious environmental problem that is directing the governments and environmental agencies to take serious measures to solve the problem of the plastic wastes. Landfilling or incineration of these wastes are not the right solutions, because the former has the danger of leaching and soil impregnation of its degradation products and the latter produce air pollution problems due to the possible emissions of toxic and acid gases. An alternative approach to the solution of problem caused by these wastes is the recycling of them by chemical recovery. In this method, the waste plastics are thermally non-catalytically or catalytically degraded into gases and oils. In this study, pure and aluminum containing ordered mesoporous materials MCM-type and SBA-type, were synthesized using different aluminum sources and aluminum loadings in order to be tested in catalytic degradation of polypropylene. These catalysts, except aluminum containing SBA-type catalysts, were synthesized by hydrothermal synthesis method. Aluminum containing SBA-type catalysts were synthesized by impregnation method. Tetraethyl orthosilicate was used as the Si source and aluminum nitrate, aluminum sulphate and aluminum isopropoxide were used as the Al source. It was observed that these materials had high surface areas and exhibited Type IV isotherms. In MCM-type materials, the aluminum incorporated more effectively into the structure at low concentrations but not effectively at high concentrations. On the other hand, in SBA-type catalysts, the aluminum incorporation into structure was very effective. 27Al MAS NMR spectra of the catalysts exhibited a mixture of tetrahedral and octahedral aluminum. TEM images showed well-ordered hexagonal arrays of mesopores. As an initial step, the activation energy value of polypropylene pyrolysis reaction in the presence of synthesized catalysts was determined by the help of a thermal analyzer and these TGA results showed a marked reduction in the degradation temperature. In the case of using aluminum containing MCM-type materials, the activation energy values decreased to about 68-126 kJ/mol. On the other hand, when aluminum containing SBA-type catalysts were used, the activation energy values decreased from 172 kJ/mol to a value in the range of 51 &ndash / 89 kJ/mol. Heavier molecules degraded into lighter hydrocarbons in the presence of catalysts and they gave high ethylene selectivity among the gaseous products. Additionally, butane selectivity increased with the use of catalysts. SBA-type catalysts showed higher selectivity to lighter hydrocarbons (&lt / C14). C7 selectivity among the liquid products was high when aluminum isopropoxide was used in the synthesis of catalysts and C18 selectivity increased significantly when aluminum nitrate was used in the synthesis of MCM-type catalysts.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AndersonJS_DISSERT.pdf: 4871519 bytes, checksum: 507c2ee7d7475d1557abdee7e257a648 (MD5) Previous issue date: 2012-12-17 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The MCM-41 mesoporous synthesis was done using rice hulls ash and chrysotile as natural alternative silica sources. For the using of these sources, chemical and thermic treatments were done in both materials. After chemical and thermic treatments, these materials were employed on the MCM-41 mesoctructures synthesis. The natural materials treated and employed in the synthesis were characterized by several techniques such as X-ray diffraction, N2 adsorption and desorption, scanning electronic microscopy and thermogravimetric analysis. MCM-41 standart samples synthetized with aerosil 200 commercial s?lica were used to evaluation. The formed material from rice hulls ash showed values from BET specific area about 468 m?.g-1, N2 adsorption and desorption isotherms and loss mass similar to reference materials. The silica from chrysotile calcined and leached was employed to mesoporous materials synthesis. The BET specific area showed values about 700 m?.g-1, N2 adsorption and desorption isotherms type IV and loss mass similar to mesoporous materials. The formed material from calcined and leached chrysotile, without calcination, applied to phenol remotion carried high performance liquid chromatography and evaluated with organophilic clays with different treatments. By the characterization techniques were proved that mesoporous materials with lesser order that reference samples. The material formed from rice hulls ash without the calcination step achieved better adsorption results than organophilic clays / A s?ntese dos mesoporosos do tipo MCM-41 foram realizadas empregando materiais naturais como cinza da casca de arroz e crisotila como fontes alternativas de s?lica. Para a utiliza??o destas fontes, tratamentos t?rmicos e qu?micos foram realizados em ambos os materiais. Os materiais naturais, ap?s tratamento t?rmico e qu?mico, foram empregados na forma??o de mesoestruturas do tipo MCM-41. Os materiais naturais, tratados e empregados na s?ntese foram caracterizados por diversas t?cnicas, como difra??o de raios-X, adsor??o e dessor??o de N2, microscopia eletr?nica de varredura e an?lise termogravim?trica. Amostras padr?es de MCM-41 sintetizadas com s?lica comercial pirolisada aerosil 200 foram utilizadas como crit?rio de compara??o. O material formado a partir da cinza da casca de arroz calcinada e lixiviada apresentou ?rea espec?fica de 468 m?.g-1, isotermas de adsor??o e dessor??o de N2 t?picas de materiais mesoporosos e eventos de perda de massa semelhantes a amostra de refer?ncia. A s?lica derivada da crisotila calcinada e lixiviada foram utilizadas para a s?ntese de materiais mesoporosos. O material apresentou valores de ?rea espec?fica BET de 700 m?.g-1, isotermas de adsor??o e dessor??o de N2 do tipo IV e perdas de massa caracter?sticas de materiais mesoporosos. O material formado a partir da cinza da casca de arroz, sem a etapa de calcina??o foi aplicado na adsor??o de fenol acompanhado por cromatografia l?quida de alta efici?ncia (CLAE) e comparado com argilas organof?licas com diversos tratamentos. Pelas t?cnicas de caracteriza??o comprova-se que os materiais s?o do possuem menor ordena??o que a amostra de refer?ncia. O material formado a partir da cinza da casca de arroz, e sem a etapa de calcina??o, obteve melhores resultados de adsor??o de fenol, se comparado ?s argilas organof?licas

L'éthylène représente l'une des molécules plateforme les plus importantes de l'industrie de la chimie avec une capacité de production de l'ordre de 140 millions de tonnes par an. La recherche réalisée dans cette thèse porte sur le développement de nouveaux catalyseurs hétérogènes, ainsi que des procédés pour l'oligomérisation et la métathèse de l'éthylène. Les catalyseurs sont des matériaux mésoporeux (topologie SBA-15 ou SiO2 commerciale) au Ni (pour l'oligomérisation) et au Mo (pour la métathèse). Les catalyseurs Ni-AlSBA-15 (~ 2,6% Ni, Si/Al ~ 7) ont été préparés par alumination post-synthèse de la silice SBA-15 avec de l'aluminate de sodium, suivie d'un échange d'ions avec du nickel. D'une manière similaire ont été préparés les catalyseurs Ni-AlSiO2. Les techniques de caractérisation, telles que diffraction des rayons X, sorption d'azote, MET, RMN de 27Al et 29Si ont prouvé le système de pores parfaite des solides SBA-15, avec de l'aluminium coordonnée principalement en mode tétraédrique dans le réseau de silice. Ni-AlSBA-15 et Ni-AlSiO2 présentent des comportements catalytiques exceptionnels dans la réaction d'oligomérisation de l'éthylène. A 150 ° C et 3,5 MPa, à la fois en mode discontinu et en flux, les catalyseurs sont très actifs (jusqu'à 175 g d'oligomères par gramme de catalyseur et par heure), sélectifs (oléfines en C4, C6, C8 et C10, aucun des produits de craquage) et stable (taux de conversion élevé pendant 80 h de réaction). Ces performances sont supérieures à celles présentées par d'autres catalyseurs hétérogènes à base de Ni, sans utiliser cocatalyseurs alkylaluminium. Un mécanisme impliquant des ntermédiaires metallocycliques est soutenu par nos résultats expérimentaux. Nous avons aussi développé un procédé original pour convertir directement l'éthylène en propylène, à travers des réactions en cascade, d'oligomérisation, d'isomérisation et de métathèse, avec deux catalyseurs hétérogènes solides très actifs. Dans un seul réacteur à flux et dans des conditions identiques, l'éthylène a été dimérisé/isomérisé sélectivement sur Ni-AlSBA-15 pour former le 2-butène, qui réagit avec l'excès d'éthylène dans une deuxième étape, sur un catalyseur au MoO3 pour produire du propylène. A 80 ° C et 3 MPa, des activités spécifiques allant jusqu'à 48 mmoles de propylene par gramme de catalyseur et par heure ont été obtenues. La désactivation et la régénération des catalyseurs ont été étudiées. Un mécanisme, en trois étapes (dimérisation/isomérisation/métahèse), sur trois sites différents (Ni+, H+ et respectivement Mo6+) a été proposé. MOTS CLES : éthylène ; propylène ; oligomérisation ; métathèse ; catalyse hétérogène ; Ni-AlSBA-15 ; MoO3 / Ethylene is one of the most important platform molecules of the chemical industry with a production capacity of around 140 million tons per year. The research conducted in this thesis focuses on the development of new heterogeneous catalysts and processes for the oligomerization and metathesis of ethylene. The catalysts are mesoporous materials (SBA-15 topology or commercial SiO2) with Ni (for the oligomerization) and with Mo (for metathesis). Ni-AlSBA-15 oligomerization catalysts (2.6 wt% Ni, Si/Al = 7) were prepared by post-synthesis alumination of SBA-15 silica with sodium aluminate, followed by ion exchange with nickel. In a similar manner was prepared the catalyst Ni-AlSiO2. Characterization techniques, including powder X-ray diffraction, N2 sorption, TEM, 27Al and 29Si MAS NMR proved the perfect pore system of the SBA-15 materials, with aluminum tetrahedrally mainly coordinated in the silica framework. Ni-AlSBA-15 and Ni-AlSiO2 exhibited outstanding catalytic behaviour in the oligomerization reaction of ethylene. At 150 °C and 3.5 MPa, in both batch and flow mode, the catalyst was highly active (up to 175 g of oligomers per gram of catalyst per hour), selective (C4, C6, C8, and C10 olefins, no cracking products) and stable (high conversion during 80 h on-stream). These performances were superior than those exhibited by other Ni-based heterogeneous catalysts, without using alkylaluminum cocatalysts. A mechanistic pathway involving metallacyclic intermediates is supported by the experimental results. Additionally, an original process for converting ethylene to propylene, involving cascade oligomerization/isomerisation/metathesis reactions, over two robust and highly active heterogeneous catalysts has been proposed. In a single flow reactor and under identical conditions, ethylene was first selectively dimerized/isomérized over Ni-AlSBA-15 catalyst to form 2-butene, which reacted then with the excess of ethylene over MoO3–based catalyst, to produce propylene. At 80°C and 3 MPa, specific activities up to 48 mmol of propylene per gram of catalyst per hour were obtained.KEYWORDS : ethylene ; propylene ; oligomerization ; metathesis ; heterogeneous catalysis ; Ni-AlSBA-15; MoO3

Dans ce travail, nous nous sommes tout d’abord intéressés à l’influence du traitement de la mésophase hybride sous ammoniac et des conditions de cristallisation sur les propriétés d’oxydes de titane mésoporeux. Le protocole de synthèse de ces matériaux a été mis au point auparavant au laboratoire à l’aide d’une méthode combinant le mécanisme transcriptif à partir des cristaux liquides du copolymère bloc P123 et la méthode EISA. Une cristallisation sous atmosphère oxydante, augmente le degré de cristallinité et favorise une croissance des particules d’anatase. En conséquence, la photodégradation du méthylorange, utilisé comme molécule modèle est augmentée. Lorsque la cristallisation est réalisée sous azote pur, l’anatase n’est pas favorisée et la photoactivité est alors gouvernée par la surface spécifique des matériaux. Nous avons également montré qu’au cours de la synthèse, l’interaction de NH3 avec le titane amorphe promeut la formation de la structure rutile de TiO2 et défavorise par conséquent la cristallisation sous forme anatase. Par conséquent lorsque le traitement sous ammoniac de la mésophase hybride est prolongé ou lorsqu’ il est réalisé à pression élevée, l’activité photocatalytique des oxydes de titane, obtenus après cristallisation du TiO2 amorphe sous air synthétique, diminue. L’introduction d’un second niveau de mésoporisité permet d’accroitre l’efficacité des photocatalyseurs, car la diffusion et l’accès aux sites actifs des molécules de colorant sont améliorés. Les matériaux à double mésoporisité présentent une activité photocatalytique deux fois et demie supérieure à celle des oxydes de titane mésoporeux monomodaux. Des catalyseurs pour l’hydrodésulfuration des gazoles ont également étés conçus en dispersant la phase active MoS2 à la surface des oxydes de titane mésoporeux mono- et bimodaux. Le dibenzothiophène (DBT) et le 4,6-diméthylbenzodiophène (46DMDBT) ont été utilisées comme molécules modèles. Contrairement au catalyseur conventionnel MoS2/Al2O3, pour lequel l’hydrodésulfuration se produite selon la voie hydrogénante, grâce à la présence de sites acides de Brönsted, les catalyseurs supportés sur TiO2 mésoporeux favorisent la désulfurisation directe du 46DMDBT. Pour terminer, la méthode de synthèse mise au point pour TiO2 a été transposée à l’oxyde de zirconium. Toutefois, dans ce cas seul un arrangement vermiforme des canaux est obtenu. Ce phénomène est probablement lié à la présence du propanol contenu dans la source du précurseur inorganique. L’incorporation d’étain au sein des zircones mésoporeuses a également été réalisée et nous avons mis en évidence que cet élément est favorable à la cristallisation de ZrO2 / In this work, we have first investigated the effect of both the crystallization conditions and of the hybrid mesophase treatment under ammonia atmosphere on the properties of mesoporous TiO2, for which the preparation was developed previously via a method combining Liquid Crystal Templating (LCT) and EISA mechanisms, using P123 as template. The photocatalysis efficiency of the materials crystallized under oxidizing conditions increases with the calcination temperature thanks to the enhancement of crystallinity and the growth of anatase particles. By contrast, when the crystallization is performed under pure nitrogen the anatase is not favored and the photocatalytic activity is governed by the materials’ specific surface area. We have also shown that during the mesoporous TiO2 synthesis, interactions between ammonia and amorphous titania promote the formation of rutile, which is a drawback for the transformation of amorphous titania into anatase. Consequently, when the treatment under ammonia is prolonged or when it is performed at high NH3 pressure, the activity of the photocatalysts recovered after crystallization under synthetic air decreases. The introduction of a second mesoporosity level enhances the degradation rate. In that case the diffusion and the accessibility of the dye molecules to the active sites are favored. Catalysts for gazole hydrodesulfurization have also been designed by dispersing the active MoS2 phase onto the surface of the mono and dual mesoporous titania. The obtained catalysts have been tested for the hydrodesulfurization of dibenzothiophene (DBT) and 4,6-dimethyldibenzothiophene (46DMDBT), used as model molecules. We highlight that thanks to the intrinsic Brönsted acidity, the CoMoS/mesoporous TiO2 catalysts favor the direct desulfurization route of 46DMDBT, in contrary to the conventional CoMoS/alumina catalyst. The synthesis procedure developed for mesoporous TiO2 has also been adapted for the preparation of mesoporous ZrO2. However, only mesoporous materials with a wormhole-like structure have been obtained. This phenomenon is likely due to the presence of propanol contained in the source of the inorganic precursor. We have also incorporated tin into the zirconia framework. The presence of thin favors the crystallization of ZrO2

Ces travaux de thèse présentent le développement de capteurs à ondes acoustiques, plus particulièrement de capteurs à ondes de Love, à l’aide de matériaux mésoporeux. La première partie de ces travaux a porté sur la mise au point d’une méthode de caractérisation du module de rigidité d’un film mésoporeux déposé sur un capteur et soumis à un flux d’humidité. Le banc de mesure développé permet d’effectuer simultanément des mesures acoustiques et ellipsométriques. Les variations du module de rigidité d’un film mésoporeux d’oxyde de titane en fonction du taux d’humidité ont ensuite été calculées à l’aide d’une procédure d’ajustement de courbe entre les résultats expérimentaux et un modèle numérique dédié modélisant la propagation des ondes de Love dans la structure multicouche. Nous avons ainsi montré que l’influence de la sorption sur le comportement mécanique d’un film mésoporeux est un facteur important à prendre en compte, notamment lors de la conception de micro-capteurs. Par la suite, des dispositifs recouverts de SiO2 et de TiO2 mésoporeux ont été développés pour différentes applications: la détection de composés organiques volatils, la détection d’espèces biologiques et le suivi d’une réaction de photocatalyse. Enfin, nous avons réalisé des capteurs recouverts d’une unique couche mésoporeuse de TiO2 assurant simultanément les fonctions de guide d’onde et de couche sensible, permettant d’augmenter de manière significative la sensibilité du capteur. / This research thesis presents the development of acoustic wave sensors, particularly Love wave sensors, using mesoporous materials. The first part of this work has focused on the development of a method to characterize the stiffness modulus of a mesoporous film, deposited on a sensor, and under humidity exposure. The experimental setup allows simultaneous acoustic and ellipsometric measurements. Changes in the stiffness modulus of a mesoporous titania film as a function of humidity were calculated using a curve-fitting procedure between experimental results and a numerical model dedicated to modeling the Love waves propagation in the structure. We have shown that the influence of sorption on the mechanical behavior of a mesoporous film is an important factor to consider, especially in the design of micro-sensors. Subsequently, devices coated with SiO2 and TiO2 mesoporous were developed for different applications: the detection of volatile organic compounds, the detection of biological species and the monitoring of a photocatalysis reaction. Finally, we realized sensors coated with a single layer of mesoporous TiO2 that performs the functions of waveguide and sensitive layer, which enable to increase significantly the sensor sensitivity.

L'objectif principal de ce travail de thèse est l'étude de la formation de matériaux hybrides polysaccharides – oxydes métalliques par assemblage colloïdal. Il concerne à la fois la compréhension des mécanismes et l'obtention de nouveaux matériaux et textures. Pour ce faire, nous avons étudié dans un premier temps les suspensions formées par les précurseurs colloïdaux (nano-bâtonnets de chitine, oligomères siloxane). Grâce à la détermination des diagrammes de phases, nous avons montré que ces co-suspensions dans l'éthanol présentent, comme en milieu aqueux, des propriétés d'auto-assemblage conduisant à la formation de mésophases nématiques chirales. Par ailleurs, l'étude rhéologique de ces fluides complexes a montré une forte influence des proportions relatives des deux précurseurs sur la viscosité, mettant en évidence le rôle déterminant des interactions entre colloïdes. Au-delà, la caractérisation par microscopie électronique nous a permis de confirmer la formation de colloïdes hybrides au sein des co-suspensions. Dans un deuxième temps, nous avons élaboré de nouveaux matériaux composites soit en modifiant le précurseur polysaccharide (cellulose vs. chitine), soit en introduisant de nouveaux précurseurs de phases inorganiques (Al2O3, TiO2, ZnS). La caractérisation de ces matériaux nous a permis d'évaluer le rôle de la chimie de surface, de la nature et de la taille des précurseurs sur les interactions colloïdales et les propriétés texturales finales. Enfin, nous avons étudié l'effet des procédés de mise en forme – microsphères par atomisation-séchage, fibres par électro-filage, films minces – et de l'application de champs externes – champ électrique, cisaillement – sur les caractéristiques des matériaux. A partir de ces nouveaux résultats, nous proposons un mécanisme de formation qui permet d'envisager la synthèse de matériaux fonctionnels dont les propriétés seraient ajustées selon les applications visées (catalyse, propriétés mécaniques…). / The major aim of this PhD thesis has been to study the formation of polysaccharides metal oxides hybrid materials through colloidal assembly. It concerns both the understanding of the mechanisms and the obtention of new materials and textures. To that purpose, we first studied suspensions of the colloidal precursors (chitin nanorods and siloxane oligomers). By mapping out the phase diagrams, we demonstrated that co-suspensions in ethanol exhibit self-assembly properties, similar to those obtained with chitin in aqueous medium, leading to the formation of chiral nematic mesophases. Besides, the rheological study of these complex fluids showed a great influence of the relative proportions of the precursors upon viscosity, hence revealing the major role played by colloidal interactions. Moreover, electron microscopy observations allowed us to confirm the formation of hybrid nanorods colloids made of chitin and silica within the co-suspensions. Then, we elaborated new composite materials either by changing the polysaccharide precursor (cellulose vs. chitin) or by introducing new precursors of inorganic phases (Al2O3, TiO2, ZnS). The characterization of these materials allowed us to estimate the impact of precursors' characteristics (surface chemistry, nature and size) on colloidal interactions and final textural properties. Lastly, we investigated the influence of the materials morphology and processing method – microspheres by spray-drying, fibers by electrospinning, thin films – and application of external fields – electric field, shearing – on the obtained materials characteristics. Based on these new results, we propose a mechanism of formation which enables us to envision the synthesis of functional materials with properties adjusted to intended applications (catalysis, mechanical properties…).

Le carbure de silicium (SiC) est un matériau léger possédant de nombreuses propriétés avantageuses : forte résistance mécanique, bonne conductivité et faible expansion thermiques, ainsi que chimiquement inerte sur une large gamme de températures. Ces caractéristiques font de lui un matériau de choix pour de nombreuses applications dans des conditions extrêmes, allant de la catalyse au gainage de combustible nucléaire de génération IV. Pour satisfaire aux spécificités de ces applications, le SiC se doit de posséder une surface spécifique élevée, et une porosité contrôlée.Nous avons étudié la faisabilité de la synthèse de SiC mésoporeux par une voie dite de « soft templating » utilisant des semifluoroalcanes (SFA) linéaires pour structurer un précurseur moléculaire du SiC, le 1,3,5-trisilacyclohexane (TSCH). En effet, la polymérisation du TSCH en polycarbosilane autour d’assemblages de SFA permet de structurer la matrice, puis de créer de la porosité lors du retrait du template. Le polycarbosilane est ensuite converti en SiC par un processus de calcination au cours duquel la porosité doit être conservée.Dans un premier temps, nous avons temps étudié les capacités d’auto assemblage des SFA dans le cyclohexane comme solvant modèle, puis dans le TSCH, par des techniques de diffusion des rayons X et des simulations des diagrammes de diffusion. Nous en avons appréhendé le comportement et déterminé les paramètres contrôlant la taille des objets. Nous avons ensuite réalisé la synthèse de SiC à partir du TSCH en présence de SFA.Les matériaux obtenus ne présentant pas les caractéristiques de surface spécifique et de porosité visées, nous avons élargi nos recherches à d’autres templates, dont un copolymère tribloc styrène-butadiène-styrène, qui a permis d’obtenir des SiC mésoporeux, amorphes ou cristallins, par une voie impliquant le greffage des précurseurs de SiC sur le copolymère. / Silicon carbide (SiC) is a light material with numerous interesting properties: strong mechanical resistance, weak thermal expansion, good heat conductivity and chemically inert on a large range of temperatures. These characteristics make SiC an appropriate material for various applications in extreme conditions, from catalyst to generation IV nuclear fuel cladding material. Nevertheless, to fulfill these application specificities, SiC has to show high specific surface area, and a controlled porosity.We have studied the possibility to synthetize mesoporous SiC by a soft templating approach using semifluorinated alkanes (SFA) to structure a SiC molecular precursor, the 1,3,5-trisilacyclohexane (TSCH). The TSCH polymerization into polycarbosilane around SFA aggregates can structure the matrix, that will create porosity after the template removal. Then polycarbosilane is converted into a SiC by a calcination process conserving the porosity.In a first time, we studied the self-aggregation capacities of SFA in cyclohexane as model solvent, and then in TSCH, by X-ray scattering techniques and simulations of scattering patterns. We discussed the behavior of SFA and determined the parameters controlling the size of the aggregates. Then, we proceeded to SiC synthesis from TSCH in presence of SFA.As resulting materials didn’t show the expected specific surface area and porosity characteristics, we enlarged our studies to other templates such as a triblock copolymer styrene-butadiene-styrene, which finally allowed us to obtain mesoporous SiC, amorphous or crystalline, by an approach involving the grafting of the SiC precursor onto the copolymer.

In the Fischer-Tropsch (FT) synthesis, CO and H2 (synthesis gas) are converted into hydrocarbons that can be further upgraded to high-quality fuels and chemicals. Different carbon sources such as natural gas, coal and biomass can be used as feed-stocks for the synthesis gas. In commercial applications, supported cobalt catalysts are commonly used in the FT synthesis, especially when the synthesis gas emanates from natural gas and when the desired final product is diesel. The activity and selectivity of a cobalt catalyst is dependent on several parameters, one of them being the support. The present thesis is focused on the design, synthesis and characterization of alumina and silica materials (with and without Ce and Zr promoters) with non-conventional morphology, and evaluation of their feasibility as cobalt supports in the FT synthesis. Ce- and Zr-alumina nanoparticles were synthesized by co-precipitation in water-in-oil microemulsion. The obtained product is amorphous alumina with highly dispersed promoters, resulting in strong cobalt-support interactions and low cobalt reducibility. By increasing the calcination temperature of the Ce-promoted support, crystalline CeO2 is obtained which apparently increases the cobalt reducibility and thereby the catalytic activity (per gram catalyst). The small pore size of the materials may induce diffusion limitations on the reactants arrival and/or result in very small cobalt particles, which favour methane over long-chain hydrocarbons.  Successful preparations of pore expanded mesoporous silicas with 1D, 2D and 3D pore structures via the atrane route, combined with the addition of swelling agents, have been demonstrated. The advantage of this method is that pore expansion can be achieved at mild conditions and there is no need for a post-synthesis process using an autoclave system. In larger silica support pores, larger cobalt particles will be formed and the weaker the cobalt-support interactions will be. This generally results in a higher cobalt reducibility for larger-pore supports and thereby a higher catalytic activity. / <p>QC 20171004</p>

La photocatalyse hétérogène est une technique d'oxydation avancée prometteuse dans le domaine de la dépollution d’effluents aqueux ou gazeux industriels contenant des composés organiques tels que les colorants, engrais, pesticides ou composés organiques volatils (COV). La photocatalyse met en oeuvre l'excitation d’un matériau semi-conducteur par une radiation lumineuse et dans ce contexte le dioxyde de titane (TiO2) est le photocatalyseur le plus couramment employé. Cependant, son activité est liée à de nombreux paramètres (longueur d'onde d'irradiation, paramètres texturaux, composition cristalline…) qu'il convient de maitriser si on veut concevoir un système de dépollution efficace. Afin d’améliorer les performances du TiO2, différentes approches ont émergé durant les dernières décennies, telles que ledopage par des métaux de transition ou le dopage par des composés organiques.Le sujet de la thèse s’est inscrit dans ce contexte et a porté sur le développement de systèmes photocatalytiques élaborés en présence de cyclodextrines (molécules cages formées par l’enchainement d’unités glucosidiques) pour la dégradation de polluants organiques en phase aqueuse. Il s'articule en trois parties principales. La première partie a été consacrée à la possibilité de combiner directement l’action d’un dioxyde de titane commercial (P25) en suspension aqueuse en présence de cyclodextrines pour améliorer le rendement de réactions photocatalysées. Appliquée à la dégradation photocatalytique d’un COV hydrophobe (toluène) dans l’UV, l’étude n’a pas montré d’impact positif des cyclodextrines. Les résultats ont été rationnalisés par l’évaluation des capacités d’adsorption des cyclodextrines sur la surface duphotocatalyseur et des constantes d’association 1:1 CD:toluène. Le deuxième partie a porté sur la synthèse d’une série de matériaux mésoporeux TiO2 par voie sol-gel colloïdale en utilisant comme agents structurants des assemblages supramoléculaires de type Pluronic 123-cyclodextrine partiellement méthylée (micelles). L’introduction de cyclodextrine méthylée en quantité contrôlée permet de jouer sur le glonflement des micelles. Après élimination de l’agent template par calcination, il est mis en évidence qu’il est possible de moduler les paramètres texturaux et structuraux du dioxyde de titane. Ces matériaux ont été évalués dans la réaction de dégradation de l’acide phénoxyacétique en phase aqueuse sous une irradiation proche du rayonnement visible (365 nm). Dans la troisième partie, le développement de matériaux mésoporeux TiO2 par voie sol-gel colloïdale a été poursuivi en substituant les assemblages supramoléculaires comme agents structurants par des cyclodextrines seules. Les paramètres de synthèse ont été optimisés avec différentes types de cyclodextrines (natives ou modifiées) et différentes concentrations.Les meilleurs résultats en termes de dégradation photocatalytique de l’acide phénoxyacétique à 365 nm ont été obtenus avec le matériau R25-T500 préparé à partir de cyclodextrine alétoirement méthylée à 25 g/L. Enfin, l’incorporation d’or sous forme HAuCl4 durant le protocole de synthèse a même permis d’observer une augmentation de l’activité photocatalytique sous irradiation à 420 nm comparativement au catalyseur référence TiO2 P25. / Photocatalysis is a promising advanced oxidation process (AOPs) to efficiently removing non biodegradable pollutants from atmosphere. Among photocatalysts, titanium dioxide (TiO2) remains certainly one of the most attractive materials because it is relatively inexpensive, nontoxic and photochemically stable. However, several factors such as wavelength of irradiation, the crystal phase composition, the surface area and the adsorption properties of the catalyst are likely to affect the hotocatalytic efficiency. The design of semiconductor metal oxide nanoparticles with tunable pore size and morphology andcontrollable composition is so important to create an efficient remediation process. To improve the photoactivity of the semi-conductor, several approaches have already been reported such as the combination of metallic or organic material to titanium dioxide. Cyclodextrins (CDs) are natural cyclic oligosaccharides derived from starch that can include in their hydrophobic cavity many organic compounds by host-guest interaction and thus increase the solubility of the guest. Taking advantage of their inclusion capacity, CDs can play a major role in catalytic processes. Numerous works involving the combined use of cyclodextrins and titanium dioxide have been reported but depending on the structure of the reactants and the reaction conditions, the CD may or may not improve the photocatalytic degradation of pollutants and it seems difficult to predict the effect of CDs on a photocatalytic process. To further understand the interactions between CD and TiO2 and to improve the performance of a photocatalytic remediation process, we studied the effect of different CDs on the properties of commercial or synthesized titanium dioxide nanoparticules. The performances of our catalysts were evaluated on thephotodegradation of two pollutants in aqueous phase: the toluene (VOC) and the phenoxyacetic acid (herbicide). This work has been divided into 3 parts: first we evaluated the impact of different CDs on the photocatalytic degradation of toluene in aqueous phase by a commercial titanium dioxide (P25). Then in a second part we investigated a template-directed colloidal self-assembly strategy for the production, in aqueous phase, of nanostructured TiO2 materials with tunable porosity and crystalline framework. The approach employs the supramolecular assemblies formed between a methylated β-cyclodextrin and the block copolymer P123 as soft templates and TiO2 nanocrystals as building blocks. Finally, we have investigated the possibility of using the cyclodextrin alone as soft templates for the preparation of a series of mesoporous titania materials with tunable properties The results show that a modified cyclodextrin can modulate the textural and structural parameters of TiO2 in order to maximize the degradation of phenoxyacetic acid in aqueous phase under near visible radiation. The incorporation of gold in our synthesis method has even increased the photocatalytic activity of our semi-conductor compared to the commercial P25 for an irradiation of 420 nm.

Le travail qui est décrit dans ce manuscrit de thèse traite de la chimie des superbases de type proazaphosphatranes, systèmes phosphorés bicycliques très utilisés en catalyse. L’objectif des investigations qui ont été menées à été d’ouvrir de nouvelles voies d’applications de ces catalyseurs. Afin de satisfaire cet objectif, plusieurs stratégies ont été envisagées. D’une part par la mise en confinement de la structure proazaphosphatrane et l’étude de l’influence de ce confinement sur la réactivité intrinsèque du proazaphosphatrane, et d’autre part par la catalyse en conditions bi-phasiques, que ce soit à l’interface entre une phase liquide et un solide ou entre deux phases liquides non-miscibles. Les recherches se sont orientées dans un premier temps sur la synthèse et la caractérisation complète d’un proazaphosphatrane supramoléculaire, obtenu par la fonctionnalisation par un proazaphosphatrane de la cavité supramoléculaire d’un récepteur macrobicyclique. Les séparations semi-préparatives des deux énantiomères d’un intermédiaire et de la molécule phosphorée finale ont également été réalisées, séparations qui ont permis de réaliser l’attribution des configurations absolues des deux structures macrobicycliques. La synthèse d’une famille de catalyseurs de type proazaphosphatrane supportés sur silice mésoporeuse a ensuite été réalisée, suivie de sa caractérisation texturale et structurale par les procédés physico-chimiques habituels, et enfin de sa mise en application dans des réactions d’intérêts de la synthèse organique. En dernier lieu, l’exploitation de la forme acide conjuguée des proazaphosphatranes, dite forme azaphosphatrane, dans des réactions de catalyse par transfert de phase a été entreprise. Il a ainsi put être démontré leur activité en tant qu’agent de transfert dans le cadre de quatre réactions significatives de la catalyse par transfert de phase en version racémique. Ce travail de thèse s’est finalement terminé par une ouverture vers la catalyse par transfert de phase en version asymétrique, par le biais de l’utilisation d’azaphosphatranes chiraux énantiopurs. / The work described in this PhD thesis deals with the chemistry of proazaphosphatrane-type superbases, which are highly reactive bicyclic phosphorous systems largely applied in catalysis. The main goal of these investigations was to devise new applications for their use in catalysis. In this way, several strategies were followed, with an emphasis on their molecular confinement and use in interfacial catalytic systems. In the first part, the manuscript describes the synthesis and characterisation of a supramolecular proazaphosphatrane obtained via the enclosing of a proazaphosphatrane moiety in a hemicryptophane-type macrobicyclic cavity. In parallel, the semi-preparative scale resolution of two macrobicyclic intermediates allowed us to assign their absolute configurations. In the second part, the synthesis and characterisation of a new class of superbases supported on mesoporous silica was achieved. The synthesis was followed by their application in base-catalysed organic reactions. The last part reports the use of their conjugate acids, or azaphosphatranes, in phase transfer catalysis. Their usefulness as achiral phase transfer agents in four relevant reactions was thus determined. The thesis ends with an introduction into asymmetric phase transfer catalysis, using enantiopure azaphosphatranes.