Dans un contexte mondial de demande croissante en énergie et d’une raréfaction des combustibles fossiles, la transformation de la biomasse en combustibles liquides est une alternative prometteuse car la biomasse est une source d'énergie renouvelable. L'éthanol et le butanol, alcools primaires les plus fréquemment rencontrés, peuvent être synthétisés à partir de la biomasse et utilisés (éthanol) ou envisagés d’être utilisés (butanol) comme biocarburants liquides. Le bio-butanol peut être obtenu selon plusieurs voies comme le procédé « Oxo », la fermentation « ABE » et la synthèse des alcools de « Guerbet ». L'objectif de cette thèse était de développer des catalyseurs hétérogènes à base d'hydroxyapatite destinés à la transformation de l'éthanol en butanol et autres alcools supérieurs par la réaction de Guerbet. Des hydroxyapatites [Ca10(PO4)6(OH)2] ayant différents rapports Ca/P ont été synthétisées et caractérisées afin de déterminer leurs propriétés structurales, texturales et acido-basiques. Ces catalyseurs ont ensuite été testés dans la réaction de Guerbet en phase gazeuse. Une bonne corrélation a été trouvée entre les propriétés catalytiques des apatites et leurs propriétés acido-basiques. Les conditions expérimentales pour la réaction de Guerbet ont également pu être optimisées pour l’utilisation de ces catalyseurs. Suite à cette étude, d'autres apatites à base de strontium ont été synthétisées par substitutions partielle et totale du calcium. Une caractérisation fine des propriétés acido-basiques de ces solides a permis de montrer que la sélectivité pour les alcools de Guerbet atteignait un maximum pour une teneur donnée en strontium dans l’échantillon. / The rapid worldwide increase in the consumption of fossil fuels to meet the energy demands suggests that time is not too far before depletion begins to adversely effects petroleum and natural gas resources. Transformation of biomass to liquid fuels will be one of the best alternatives because it is a renewable source. Ethanol and butanol are the most common primary alcohols that can be synthesized from biomass and they are used (ethanol) or being envisioned to be used (butanol) as liquid biofuels. Biobutanol with a higher molecular weight than ethanol has some additional advantages over ethanol. Bio-butanol can be obtained through several routes like Oxo process, ABE fermentation and Guerbet alcohol synthesis. The objective of this thesis is to develop hydroxyapatite-based heterogeneous catalysts and screen them in Guerbet reaction of ethanol to butanol and other higher alcohols. Hydroxyapatites [Ca10(PO4)6(OH)2] with different Ca/P ratios were synthesized and characterized to study the structural, textural and acid-base properties. These catalysts were then screened for gas phase reaction of ethanol and good correlation was found between the Guerbet reaction and acid-base properties of these apatite catalysts. Also we could optimize the experimental conditions suitable for Guerbet reaction. Further Strontium apatites were synthesized by varying the calcium and strontium content. After well characterization of acid-base properties of these solids, ethanol reaction was performed over these strontium apatite catalysts using the above optimized conditions. It was found that at a particular amount of strontium content, selectivity to Guerbet alcohols reached maximum.

Les interfaces oxyde minéral – milieu aqueux sont des éléments-clés des réactions se déroulant dans les milieux naturels. L'objectif de cette étude est d'interpréter un comportement macroscopique (tel que la charge de surface ou un processus de sorption) à l'aide de mécanismes locaux se déroulant en surface d'un oxyde ou hydroxyde minéral. La gibbsite Γ-Al(OH)3 a été choisie pour cette étude car elle présente une anisotropie de sites de surface en fonction des faces cristallines exposées. L'hétérogénéité morphologique de l'échantillon (distribution en taille des particules, facteur de forme) est caractérisée par une analyse statistique à partir d'images de Microscopie à Force Atomique. La structure des OH en volume et en surface (longueurs de liaison, orientations, interactions entre groupements) est déterminée par spectrométries infrarouge et Raman. Ces informations permettent l'interprétation de titrages potentiométriques et la détermination du point de charge nulle de l'échantillon.

Les Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL) présentent de nombreux domaines d'application en rapport avec leur structure lamellaire et la diversité de leur de composition. Ce travail souligne les potentialités des HDL lorsqu'ils sont utilisés comme précurseurs d'oxydes mixtes pouvant intervenir en catalyse hétérogène acido-basique ou d'oxydo-réduction.<br />La première partie du mémoire concerne l'étude d'une série d'oxydes à base de nickel, cuivre, magnésium et aluminium, obtenus par calcination des HDL précurseurs à 450°C. La caractérisation structurale et l'étude de l'acido-basicité des oxydes mixtes en fonction de leur composition ont été réalisées. Elles s'appuient sur l'utilisation complémentaire de différentes méthodes analytiques physico-chimiques donnant accès à des informations concernant à la fois la structure, la composition et la morphologie des cristaux obtenus(DRX, ATG, analyse chimique, SPX...), ou permettant la caractérisation de leurs propriétés acido-basiques (adsorption de molécules sondes suivie par microcalorimétrie et SPX).<br />La seconde partie du travail est consacrée à l'utilisation des oxydes mixtes obtenus après calcination à 800°C pour la synthèse de nanofilaments de carbone à partir de la décomposition catalytique du méthane. Après une étude détaillée des oxydes mixtes, les nanofilaments produits ont été caractérisés à l'aide de différentes techniques, notamment la microscopie électronique à transmission. Les données physico-chimiques obtenues ont mis en évidence les relations entre les caractéristiques du catalyseur (composition, mode de synthèse, propriétés...) et le type des nanofilaments (tubes, fibres) obtenus.

Le glycérol et le fructose sont des molécules qui peuvent être extraites facilement de labiomasse et en des quantités substantielles. Ce travail de recherche porte sur la déshydratationcomme moyen de valoriser ces composés. C’est dans ce but que des catalyseurs supportés suroxydes de zirconium et de titane, ainsi que des matériaux de type phosphate de calcium, ontété préparés et testés pour la réaction de déshydratation du glycérol en phase gazeuse. Desoxydes mixtes de niobium et cerium ainsi que des oxydes mixtes mésoporeux de Nb2O5-MeO2 (M = Ce, Zr, Ti) ont été également préparés et cette fois-ci testés pour la réaction dedéshydratation du fructose en milieu aqueux. Dans les deux cas, les propriétés acido-basiquesde surface des catalyseurs étudiés ont été corrélées à leur efficacité catalytique. / Glycerol and fructose are molecules that are readily available in substantial quantities fromthe biomass. In this work dehydration routes for valorization of these compounds wereinvestigated. Therefore, zirconia and titania based catalysts, and calcium phosphate materialswere prepared and evaluated in the glycerol dehydration in gas phase. Niobia-ceria mixedoxides and mesoporous Nb2O5-MeO2 (M = Ce, Zr, Ti) mixed oxides were prepared andtested in fructose dehydration reaction in aqueous phase. The surface acid-base properties ofthe studied catalysts were correlated to their catalytic performance.

Différents phosphates ont été préparés et testés pour la déshydratation de l'acide lactique en phase gaz. La sélectivité en acide acrylique dépend fortement de la température de réaction mais peu du temps de contact. A 380°C, des valeurs de sélectivité allant de 19 à 50% ont été mesurées pour des phosphates alcalino-terreux qui sont stables sur au moins 24 h. Des mesures d'acido-basicité ont montré que ces phosphates contiennent une forte proportion de sites de même force faible. De plus, une corrélation entre la sélectivité en acide acrylique et le ratio molaire acide/base a été établie : elle atteint 50% pour un rapport proche de 1 et diminue lorsque ce ratio augmente. L'acide lactique étant thermiquement peu stable (fonction acide très réactive), nous nous sommes tournés vers la conversion du lactate d'éthyle pur. Les sélectivités en produits de déshydratation sont largement favorisées avec une sélectivité maximale de 87% à 15% de conversion. Cependant, les catalyseurs sont moins actifs et se désactivent fortement sur 24 h. La désactivation peut être inhibée par ajout d'eau dans la phase gaz. La caractérisation de surface a montré que les vitesses de réaction augmentent avec le rapport P/M et a révélé la présence d'une phase amorphe hydroxylée correspondant à des mono, dihydrogénophosphates ou des polyphosphates. Les groupements P-OH présents dans cette phase sont consommés ou modifiés en condition de réaction pour les deux réactifs suggérant qu'ils constituent des sites actifs. Enfin, le suivi DRIFT des TPD-NH3 a permis de proposer que des paires acide-base (M2+ et P-O-) sont dosées dans ce cas. Elles constitueraient le site d'adsorption de l'acide lactique conduisant ensuite à un mécanisme de déshydratation de type E2 / Various alkaline-earth phosphates were prepared and evaluated for gas phase dehydration of lactic acid. Selectivity to acrylic acid strongly depends on the reaction temperature but not on the contact time. At 380 °C, values ranging from 19 to 49% were measured for alkaline–earth phosphates catalysts that are stable for at least 24 h. Acid–base properties measurements revealed that such phosphates contain high proportion of acidic and basic sites with same weak strength. Furthermore, correlation between selectivity to acrylic acid and the acid–base balance was clearly established: it was 50% for balance close to 1 and decreased increasing this parameter. Because of poor thermal stability of lactic acid, we then focused on the ethyl lactate conversion. Selectivities in dehydration products were much higher with a maxima of 87% at 15% conversion. However, the catalysts were less active and stable. The deactivation can be inhibited adding water in the gas phase. Surface characterization of catalysts showed that catalytic activities are correlated with the P/M ratio and revealed the presence of an hydroxylated amorphous phase corresponding to mono / dihydrogenophosphates or polyphosphates. The P-OH species present in these phases are consumed or modified for both reactants suggesting that they are active sites. Finally, NH3-TPD measurements followed by DRIFT suggested that acid base pairs (M2+ and P-O-) are then probed. Such pairs would constitute the adsorption site of lactic acid which then dehydrate in acrylic acid by an E2 mechanism

Ce travail de thèse se focalise sur l'impact des propriétés acido-basiques des catalyseurs (quantité et force des sites) dans la production d’acroléine par couplage oxydant d’alcools en phase gazeuse. L'influence du rapport entre site acides et sites basiques des catalyseurs a été étudiée dans la condensation aldolique de l'acétaldéhyde et du formaldéhyde en acroléine, réalisée en conditions oxydantes. Les données et corrélations obtenues ont donné des informations indispensables à l’identification des paramètres qui doivent être modifiés afin d'améliorer la sélectivité en acroléine. La première réaction du procédé implique l'oxydation du méthanol et de l'éthanol respectivement en formaldéhyde et acétaldéhyde sur un catalyseur rédox de type FeMoOx.Ensuite, l'aldolisation croisée des deux aldéhydes et la déshydratation en acroléine sont effectuées sur des catalyseurs acido-basiques.Les alcools impliqués dans ce procédé pouvant dériver de la biomasse, cette nouvelle voie de production d'acroléine présente un intérêt élevé puisqu'elle peut remplacer la production actuelle d'acroléine basée sur des ressources fossiles (aujourd'hui l’acroléine est produite industriellement par oxydation du propylène).Le catalyseur optimal doit présenter des caractéristiques amphotères avec une quantité similaire de sites basiques et acides. Une présence modérée et équilibrée de sites acides et basiques améliore le rendement en acroléine et déplace à plus haute température la production des oxydes de carbone. Parmi tous les catalyseurs étudiés, et grâce à ses propriétés acido-basiques spécifiques, MgO supporté sur silice a été identifié comme étant le meilleur catalyseur pour la condensation aldolique des aldéhydes en acroléine en conditions oxydantes / The present work focuses on the impact of the amount and strength of acidic and/or basic sites on the yield of acrolein produced by alcohols oxidative coupling in gas phase. The influence of acid/base ratio of catalytic sites has been studied in the aldol condensation of acetaldehyde and formaldehyde to acrolein performed in oxidizing conditions. The obtained data and correlations supplied valuable information to understand which parameters have to be modified to improve the acrolein selectivity. The first reaction of the process implies methanol and ethanol oxidation respectively to formaldehyde and acetaldehyde on a FeMoOx redox catalyst. Then the cross-aldolization of the two aldehydes and the dehydration to acrolein is performed on acid/base catalysts. Because the alcohols involved in this process can be bio-sourced, this new route to produce acrolein presents a very high interest, since it can replace the current fossil-based acrolein production (nowadays industrially produced by oxidation of propylene). The optimal catalyst should present amphoteric features with a similar amount of both basic and acidic sites. A moderate and balanced presence of acidic and basic sites improves the acrolein yield and the production of carbon oxides is significantly increased only at high temperature. Among all studied catalysts, MgO supported on silica has been identified as the best catalyst for aldol-condensation of aldehydes to acrolein in oxidizing conditions thanks to a given ratio of basic to acidic sites

Les carbones poreux ont été largement utilisés et étudiés ces dernières années. Ce travail de recherche porte sur la préparation de matériaux carbonés mésoporeux modifiés ou non par de l'azote. Tout d'abord, un carbone mésoporeux pur a été synthétisé. Puis des atomes d'azote ont été introduits dans ce carbone mésoporeux par deux méthodes de dopage ("in situ" et "post-synthèse" respectivement). La comparaison des propriétés acido-basiques dans des conditions différentes pour les trois types de matériaux mésoporeux carbonés, avec ou sans diazote, a été faite grâce à des techniques calorimétriques. Ces carbones mésoporeux ont aussi été utilisés dans l'adsorption de polluants, le stockage de l'hydrogène et en tant que supports pour les métaux précieux et l'oxyde de fer en catalyse. Les différentes performances dans ces applications ont été mises en relation avec les différentes propriétés structurelles et surfaciques causées par le dopage au diazote / Porous carbon materials are widely used and studied in recent years. In this work, three kinds of mesoporous carbon materials were prepared. Firstly, cost-effective pure mesoporous carbon was synthesized. Then nitrogen atoms were introduced into the mesoporous carbon by “in situ” and “post” doping methods respectively. The comparisons of the acid-base properties in different conditions of the three kinds of mesoporous carbon materials with or without nitrogen were studied and revealed by different calorimetric techniques. The three kinds of mesoporous carbons were also applied in pollutants adsorption, hydrogen storage and as supports of precious metals and iron oxide in catalysis. The different performances in applications were related to the different structural and surface properties caused by the N-doping