An atomic level understanding of the structure and stability of model catalysts is essential for surface science studies in heterogeneous catalysis. Scanning tunneling microscopy (STM) can operate both in UHV and under realistic pressure conditions with a wide temperature span while providing atomic resolution images. Taking advantage of the ability of STM, our research focuses on 1) investigating the structure and stability of supported Au catalysts, especially under CO oxidation conditions, and 2) synthesizing and characterizing a series of alloy model catalysts for future model catalytic studies. In our study, Au clusters supported on TiO2(110) have been used to model supported Au catalysts. Our STM studies in UHV reveal surface structures of TiO2(110) and show undercoordinated Ti cations play a critical role in the nucleation and stabilization of Au clusters on TiO2(110). Exposing the TiO2(110) surface to water vapor causes the formation of surface hydroxyl groups and subsequently alters the growth kinetics of Au clusters on TiO2(110). STM studies on Au/TiO2(110) during CO oxidation demonstrate the real surface of a working catalyst. Au clusters supported on TiO2(110) sinter rapidly during CO oxidation, but are mostly stable in the single component reactant gas, either CO or O2. The sintering kinetics of supported Au clusters has been measured during CO oxidation and gives an activation energy, which supports the mechanism of CO oxidation induced sintering. CO oxidation was also found to accelerate the surface diffusion of Rh(110). Our results show a direct correlation between the reaction rate of CO oxidation and the diffusion rate of surface metal atoms. Synthesis of alloy model catalysts have also been attempted in our study with their structures successfully characterized. Planar Au-Pd alloy films has been prepared on a Rh(100) surface with surface Au and Pd atoms distinguished by STM. The growth of Au-Ag alloy clusters have been studied by in-situ STM on a cluster-to-cluster basis. Moreover, the atomic structure of a solution-prepared Ru3Sn3 cluster has been resolved on an ultra-thin silica film surface. The atomic structure and adsorption sites of the ultrathin silica film have also been well characterized in our study.

Dans ce travail, Al-Cu échantillons modèle en alliage ont été chauffés sous vide ultra élevé, et on a trouvé que l'oxyde Al grandi et Cu pertage inceased en fonction de l'exposition à l'O2 en raison de l'oxydation préférentielle de Al. échantillons ont ensuite été recuits à 540 °C sous vide poussé et vieilli à 300 °C dans l'air, et corrodés en peu de temps dans l'électrolyte neutre et l'électrolyte alcalin contenant des ions Cl- en utilisant le système à trois électrodes, respectivement. Après immersion dans l'électrolyte neutre, corrosion morphologies (creusement de tranchées sur l'échantillon poli vs fosses creuses sur l'échantillon vieilli) se distinguent. Cependant, dans un électrolyte alcalin, la corrosion a à deux phases en raison de la dissolution de l'aluminium et de l'oxyde d'aluminium dans une solution alcaline: d'une part, un oxyde d'Al et la matrice d'Al ont été dissous en général, ce qui entraîne riche en Cu intermétalliques étant laissé isolément sur la surface; d'autre part, la corrosion générale a ensuite accompagné la dissolution préférentielle du substrat environnant riche en Cu intermétalliques résultant dans des tranchées autour des particules. Formation des mixtes Al-Cu oxydes riche en Cu2O et CuO dépôts ont été trouvés sur la surface corrodée. En outre, les échantillons Al-Cu recouvertes de revêtements Al2O3 déposés par procédé ALD à la surface ont été corrodés dans des conditions similaires. Comme on s'y attendait, une amélioration significative de la résistance à la corrosion des échantillons d'alliages revêtus a été observée, mais la couche d'ALD dans l'électrolyte alcalin est pas aussi stable que dans les électrolytes neutres. / In this work, Al-Cu model alloy samples were heated in ultra high vacuum (UHV), and it was found that the Al oxide grew and Cu percentage increased as a function of exposure to the O2 owing to the preferential oxidation of Al. Then samples were annealed at 540 °C in high vacuum and aged at 300 °C in air, and corroded in short time in the neutral electrolyte and the alkaline electrolyte containing Cl- ion using the three-electrode system, respectively. After immersion in the neutral electrolyte, corrosion morphologies (trenching on the polished sample vs. hollow pits on the aged sample) are distinguished due to the different distributions of Cu-rich intermetallics in the polished sample (distributed homogeneously) and the aged sample (mostly beneath the oxide layer). However, in alkaline electrolyte, corrosion went at two stages owing to the dissolution of aluminium and aluminium oxide in an alkaline solution: firstly, Al oxide and the Al matrix were dissolved generally, resulting in Cu-rich intermetallics being left isolatedly on the surface; secondly, general corrosion went on accompanied with the preferential dissolution of substrate surrounding Cu-rich intermetallics resulting in trenching around particles. Formation of mixed Al-Cu oxides/hydroxides layer rich in Cu2O and CuO deposits were found on the corroded surface. Furthermore, Al-Cu samples covered with Al2O3 coatings deposited by ALD process on the surface were corroded under similar conditions. As expected, a significant improvement of corrosion resistance of the coated alloy samples was observed, but the ALD layer in alkaline electrolyte is not as stable as in neutral electrolytes, and undergoes dissolution.

Il est bien connu que la ségrégation intergranulaire du phosphore peut diminuer la cohésion entre les grains, entraînant une fragilisation des aciers. Les aciers bainitiques faiblement alliés utilisés pour la construction des cuves des réacteurs à eau sous pression (REP) contiennent généralement une faible quantité de phosphore (dans la gamme de 100 ppm). L’exposition continue à une irradiation sous un faible flux de neutrons à une température moyenne (environ 300°C) conduit à une fragilisation de l’acier de l'acier de cuve. La ségrégation intergranulaire du phosphore peut potentiellement contribuer à cette fragilisation. Pour assurer la fiabilité des REP en fonctionnement, il est donc important de comprendre les effets des conditions de vieillissement (température, dose d’irradiation etc.), de la composition du matériau et du type de joint de grains (JG) sur l’intensité de la ségrégation intergranulaire du phosphore. La littérature montre que la ségrégation intergranulaire peut fortement varier entre différents joints de grains. Cependant, les études systématiques manquent dans ce champ d’étude.Dans le but d’obtenir une description précise et représentative des joints de grains d’un point de vue structural et chimique, ce travail combine différentes techniques. La principale technique utilisée est la Sonde Atomique Tomographique (SAT). Cette technique permet d’explorer en trois dimensions la distribution atomique d’une grande variété d’éléments dans les joints de grains. La géométrie des joints de grains est déterminée grace à la Diffraction de Kikuchi en Transmission (TKD) associée à une reconstruction de SAT. Pour avoir une meilleure compréhension des mécanismes de ségrégation, des modèles ségrégation d'équilibre et de ségrégation induite par l'irradiation ont été utilisés. / It is well known that the intergranular segregation of phosphorus can diminish the cohesion between grains, resulting in steel embrittlement. Low alloyed bainitic steels used to build nuclear reactor pressure vessel (RPV) generally contain a small amount of phosphorus (in the range of 100 ppm). Continuous exposure to a low neutron dose rate irradiation at intermediate temperature (~300°C) results in radiation embrittlement of RPV steel. Since intergranular segregation of phosphorous can contribute to this embrittlement, for purpose of RPV reliability during operation, it is important to understand the effects of ageing conditions (temperature, irradiation dose etc.), material composition and grain boundary (GB) type on the intensity of phosphorus intergranular segregation. Regarding to literature sources, it was revealed that the intergranular segregation values may strongly vary among different GBs. However, there is a lack of systematic studies in this field.In order to get an accurate and representative description of GB from structural and chemical points of view, different techniques are combined in this work. Atom Probe Tomography technique is utilized as the main tool. This technique is able to explore the 3D atomic distribution of broad variety elements at GB. GB geometry is determined from Transmission Kikuchi Diffraction (TKD) map supplemented by APT reconstruction. To gain a better understanding of segregation mechanisms, models of thermally and radiation-induced segregation were employed.