La photocatalyse sous la lumière solaire est considérée comme une solution prometteuse face aux crises énergétiques et aux enjeux environnementaux. Dans le procédé photocatalytique, un photocatalyseur à base d'un semi-conducteur est l'élément clé pour une réduction efficace du CO₂. Entre autres, le nitrure de carbone graphitique et les points quantiques sont les matériaux les plus étudiés car ils sont faciles à synthétiser, peu coûteux et possèdent des propriétés physico-chimiques exceptionnelles. Un grand nombre de photocatalyseurs nanostructurés à base de g-C₃N₄ et de points quantiques ont été développés et étudiés pour la réduction photocatalytique du CO₂. Cependant, leur performance photocatalytique reste modérée en raison de la recombinaison rapide des charges et de l'absorption insuffisante de la lumière solaire. Cette thèse a utilisé des stratégies simples et nouvelles pour développer trois photocatalyseurs efficaces pour la réduction du CO₂. Les matériaux synthétisés présentent des propriétés structurelles uniques avec une meilleure absorption de la lumière solaire et un taux de séparation des charges plus élevé, contribuant ainsi à une meilleure efficacité photocatalytique. Pour les matériaux à base de g-C₃N₄, nous avons pour la première fois utilisé le nitrure de carbone graphitique avec l'intégration de clusters du cobalt comme cocatalyseur pour la réduction du CO₂ par copolymérisation entre l'urée et un complexe du cobalt comme précurseurs du g-C₃N₄ et du cluster du cobalt, respectivement. L'utilisation de 4,4'-Diamino-2,2'-bipyridine en tant que ligand de coordination du complexe du cobalt est avantageuse. Premièrement, il peut copolymériser avec l'urée au cours du traitement thermique pour la formation du g-C₃N₄, améliorant ainsi l'absorption de la lumière solaire du g-C₃N₄. Deuxièmement, il peut stabiliser le cluster du cobalt et fournir une voie du transfert d'électrons efficace entre g-C₃N₄ et le cobalt, résultant en une meilleure performance photocatalytique. Pour le second matériau, nous avons tenté d'améliorer l'absorption de la lumière solaire du g-C₃N₄ en incorporant des nanoparticules (NPs) plasmoniques du TiN à la surface des nanofeuilles du g-C₃N₄. Avant l'incorporation, la surface des NPs TiN plasmoniques a été greffée avec des groupes amino pour améliorer l'interaction avec l'urée pendant le processus de copolymérisation thermique. Le matériau synthétisé a montré une meilleure absorption de la lumière solaire et une séparation des charges optimisée. En conséquence, ce photocatalyseur a démontré une performance élevée pour la réduction photocatalytique du CO₂ sous l'irradiation solaire. En ce qui concern le troisième matériau des points quantiques, nous avons tenté d'explorer la relation entre les protons localisés près des sites actifs et la performance photocatalytique en utilisant le 3-mercaptopropionate comme « obturateur des protons » aux surfaces des points quantiques du CdS. Les points quantiques du CdS recouverts d'acide 3-mercaptopropionique (MPA) ont été synthétisés par une méthode facile en milieu aqueux. Il a été constaté que l'activité photocatalytique améliorée de ce matétiau pourrait être attribuée à l'interaction coopérative entre les protons localisés et les atomes du Cd à la surface du matériau, qui se comportent comme un résultat de l'interaction des acides Lewis et des bases Lewis, respectivement. / The solar-light driven photocatalysis is considered a promising solution to both energy-shortage and environmental issues. In photocatalysis, a semiconductor-based photocatalyst is key to efficient CO₂ reduction. Among others, graphitic carbon nitride and quantum dots materials are the most investigated because of their easy synthesis, low cost, and outstanding physicochemical properties. Numerous g-C₃N₄ and quantum dots - based nanostructured photocatalysts have been developed and studied for photocatalytic CO₂ reduction. However, their photocatalytic performance is still moderate due to the rapid charge recombination and insufficient solar-light absorption. This thesis employed facile and new strategies to develop three efficient photocatalysts for CO₂ reduction. The synthesized materials exhibit unique structural properties with improved solar-light absorption and increased charge separation rate, thus contributing to photocatalytic efficiency. For the g-C₃N₄ materials, we first employed cobalt cluster embedded graphitic carbon nitride as a cocatalyst for CO₂ reduction by copolymerization between urea and cobalt complex as g-C₃N₄ and cobalt cluster precursors, respectively. Using 4,4'-Diamino-2,2'-bipyridine as a coordinating ligand of the cobalt complex is beneficial. First, it can copolymerize with urea during the thermolysis for the g-C₃N₄ formation, thus improving solar-light absorption of g-C₃N₄. Secondly, it can stabilize the cobalt cluster and provide and efficient electron transfer pathway between g-C₃N₄ and the cobalt cluster, resulting in enhanced photocatalytic performance. In the second material, we attempted to improve the solar-light absorption of g-C₃N₄ by incorporating TiN plasmonic nanoparticles onto the surface of g-C₃N₄ nanosheets. Before the incorporation, the surface of plasmonic TiN nanoparticles is grafted with amino groups to enhance the interaction with urea during the thermal copolymerization process. The synthesized material exhibited enhanced solar-light absorption and improved charge separation. As a result, this photocatalyst demonstrated high performance for photocatalytic CO₂ reduction under solar-light irradiation. Regarding quantum dots material, we attempted to explore the relationship between the localized protons near the active sites and the photocatalytic performance by employing 3-mercaptopropionate as a proton shutter on CdS quantum dot surfaces. A facile aqueous synthesis was utilized to synthesize the water-soluble 3-mercaptopropionic acid (MPA)-capped CdS quantum dots. It was found that the enhanced photocatalytic activity of functional CdS quantum dots could be attributed to the cooperative interaction between localized protons and surface Cd atoms, which behave as a result of the Lewis acid and Lewis base interaction, respectively.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Seulement neuf années se sont écoulées depuis la découverte que les ‘’Paires de Lewis Frustrées’’ (PLF) peuvent promouvoir le clivage de l’hydrogène, mais plus d’un millier d’articles scientifiques ont déjà été publiés sur le sujet. Au début des travaux décrits dans cette thèse, les catalyseurs pour la réduction du CO2 étaient excessivement rares et peu efficaces. La présente thèse porte donc sur le développement de nouveaux systèmes sans métal de transition pour la réduction catalytique du CO2 en molécules riches en énergie et plus précisément, en méthanol. D’abord, la préparation d’un nouveau système basé sur les PLF et sa capacité à activer le CO2 de façon réversible est présenté. En présence de catécholborane, le CO2 est catalytiquement réduit en méthoxyboranes, espèces facilement hydrolysables en méthanol. Surprenamment, un produit de décomposition est identifié comme étant responsable de l’activité catalytique. En effet, l’espèce ambiphile 1-Bcat-2-PPh2-C6H4 constitue le premier exemple d’un catalyseur sans métal de transition pour l’hydroboration du CO2. L’activité de ce catalyseur excessivement simple surpasse celle des meilleurs systèmes basés sur des métaux. Des études mécanistiques détaillées révèlent que l’activation simultanée du borane et du CO2 est d’une importance critique. Une investigation poussée révèle que la formation d’un adduit entre le catalyseur et le formaldéhyde résulte en un organocatalyseur d’autant plus actif. Il est aussi démontré que les phosphazènes, super bases organiques, sont des organocatalyseurs très actifs pour la transformation du CO2 en dérivés de formate ou de méthanol. De façon intéressante, le DMF (N, N-diméthylformamide) peut promouvoir l’hydrosilylation réductive du CO2 en absence de catalyseur. Une nouvelle stratégie d’hydrogénation a été développée en étudiant les aspects fondamentaux de l’hydrogénation par les PLFs, permettant ainsi la conception d’un système pour l’hydrogénation du CO2 en conditions ambiantes. Même si une voie de décomposition inattendue rend le processus stoéchiométrique, une optimisation du catalyseur pourrait générer le premier catalyseur sans métal pour l’hydrogénation du CO2. / Only nine years have passed since the seminal discovery that Frustrated Lewis Pairs (FLPs) could split dihydrogen and yet, more than a thousand research papers have already been published on the subject. As the work presented herein commenced, metal-free systems capable of catalytically transforming CO2 could be counted on a single hand while transition-metal based systems were almost as scarce. As such, the present thesis deals with the development of novel transition-metal-free systems for the catalytic reduction of CO2 to energy rich materials, most notably methanol. Firstly, the preparation of a new FLP system bearing three pendant phosphine groups Al(C6H4(o-PPh2))3 and its ability to activate carbon dioxide in a reversible fashion are presented. In the presence of catecholborane, CO2 is catalytically reduced to methoxyboranes, species which are readily hydrolyzed to methanol. Interestingly, a decomposition product is shown to be responsible for the catalytic activity Indeed, species 1-Bcat-2-PPh2-C6H4 is the first report of a catalyst for the metal-free hydroboration of carbon dioxide. The activity of this excessively simple catalyst surpasses that of the best transition metal systems while using the cheap and high hydrogen content borane BH3.SMe2. In-depth mechanistic studies reveals that simultaneous activation of both the borane and CO2 molecules is of critical importance. Further investigation reveals that the formation of an adduct between the catalyst and formaldehyde affords an even more potent organocatalyst. It is also shown that phosphazene superbases are very active organocatalysts for the transformation of CO2 to either formate or methanol derivatives. Unexpectedly, N, N-dimethylformamide (DMF) can promote the reductive hydrosilylation of CO2 in the absence of any catalyst. Finally, the challenging task of developing a metal-free system for the hydrogenation of CO2 was undertaken. A novel strategy was developed by studying the fundamental aspects of FLP mediated hydrogenations, allowing us to achieve CO2 reduction under ambient conditions. While an unexpected decomposition pathway hampered catalysis, optimisation of the catalyst design is expected to yield the first metal-free catalyst for the hydrogenation of CO2.

La combustion en boucle chimique (CLC; Chemical Looping Combustion) est apparue récemment comme une nouvelle technologie prometteuse pour la capture du CO2 dans les centrales électriques à base de combustibles fossiles. Le principe de CLC repose sur l'utilisation de matériaux porteurs d'oxygène dans des cycles d'oxydation-réduction. Dans la CLC il n'y a aucun contact direct entre l'air et le carburant empêchant ainsi la dilution des émissions de CO₂ dans le flux gazeux de N₂ dans l'air. Aucune séparation spécifique de l'oxygène dans l'air ou du CO₂ dans les fumées de combustion n'est requise, ce qui conduit potentiellement à de plus faibles pénalisations énergétiques. La CLC minimise également la formation de NOx parce que le combustible brûle en l'absence d'air et sans flamme. Il est nécessaire de résoudre les défis qui subsistent pour la CLC, en termes des matériaux, les processus, les coûts et les questions environnementales, afin de présenter la CLC comme une technologie industrielle viable. Les porteurs d'oxygène précédemment étudiés ont montré des enjeux tels que la faible capacité de transfert d'oxygène, le taux peu élevé de réduction et d'oxydation, la faible stabilité physico-chimique au cours de plusieurs cycles, la forte tendance au dépôt de coke et à l'agglomération des particules, et des limites thermodynamiques conduisant à la formation des produits de combustion incomplète (CO). Par conséquent, il est nécessaire de développer et de modifier des nouveaux porteurs d'oxygène qui satisfassent aux exigences du procédé de CLC. Cette thèse est focalisée sur le développement des porteurs d'oxygène à base de pérovskite ayant des propriétés souhaitables pour la CLC. Les pérovskites (LaCo0₃ et LaMnO₃) sont préparées par le procédé de broyage réactif ce qui conduit au développement des pérovskites avec des surfaces spécifiques élevées. La technique de réduction à température programmée par H₂ et de désorption à température programmée de l'O₂ révèlent la réductibilité élevée, la quantité importante de α-O₂ (oxygènes de surface) et la forte densité de lacunes anioniques de surface de ces pérovskites et en particulier LaMnO₃. Des tests de réactivité des deux types de porteurs d'oxygène dans un simulateur à lit fluidisé de CREC démontrent que ces matériaux sont très réactifs et stables au cours des cycles de réduction-oxydation. La stabilité structurale et morphologique des porteurs après plusieurs cycles d'oxydoréduction est confirmée par diffraction des rayons X et par microscopie électronique à balayage. L'agglomération des particules se produit dans une certaine mesure dans les deux cas de pérovskites après plusieurs cycles de la CLC. Pour contrôler le frittage des particules dans le processus de CLC, le porteur d'oxygène LaMn₀.₇Fe₀.₃O₃.₁₅@mSiO₂ qui a une structure de noyau de la cogue (core-shell) est préparé et testé en simulateur de CREC. La couche mince de silice mésoporeuse englobant le noyau de pérovskite protège les particules contre le frittage. Comparativement à LaMnO₃.₁₅, LaMn₀.₇Fe₀.₃O₃.₁₅@mSiO₂ présente une réactivité plus élevée en méthane ainsi qu'une meilleure stabilité au cours des cycles répétés de redox. Les résultats de DRX, MEB et MET de l'échantillon utilisé confirment la stabilité structurale et morphologique des pérovskite et des coquilles de silice. La cinétique de réduction de LaMnO₃.₁₅ et LaMn₀.₇Fe₀.₃O₃.₁₅@mSiO₂ dans le simulateur de CREC est établie en utilisant deux modèles cinétiques, le modèle de nucléation et de croissance et aussi le modèle de réduction de coeur non réagi. Le modèle de nucléation et de croissance qui utilise le modèle de Avrami-Erofeev avec le mécanisme de nucléation aléatoire (n = 1) correspond mieux aux données expérimentales que le modèle de coeur de réduction non réagi. Ce travail a déterminé que l'énergie d'activation de la réduction de LaMnO₃ par le méthane (23,8 kJ/mol) est inférieure à celle de LaMn₀.₇Fe₀.₃O₃.₁₅@mSiO₂ (57,6 kJ/mol). Ceci indique la difficulté de la réduction de la phase pérovskite de l'échantillon à coeur-coquille (core-shell). Ceci est également confirmé par les résultats de H₂-RTP.

Cette thèse passe en revue la production de carburant à partir d’énergie solaire de H2O et de CO2 à l'aide d'un photocatalyseur, ce qui est considéré comme l'une des solutions les plus prometteuses pour la lutte contre le réchauffement climatique et la crise du carburant. Cette thèse propose quatre nouvelles approches pour développer des photocatalyseurs nanostructures efficaces pour la réduction photocatalytique du CO2 et la production de H2. L’absorption de la lumière, la séparation des charges et les réactions de surface sont des aspects critiques qui ont un impact énorme sur la photoréduction du CO2 et la production photocatalytique de H2. Le g-C3N4 et les matériaux pérovskites sont des candidats appropriés pour ces processus, car ils offrent des caractéristiques structurelles et des propriétés exceptionnelles. Un grand nombre de photocatalyseurs nanostructures sont actuellement développés pour la photoréduction du CO2 et la production photocatalytique de H2. Les nanostructures 2D et les nanocomposites hétérostructures sont largement étudiés en raison de leurs excellentes propriétés telles que la séparation efficace et la longue durée de vie des porteurs de charge. De manière prometteuse, les nanostructures 2D et les nanocomposites des matériaux g-C3N4 et pérovskites présentent d'excellentes performances photocatalytiques, selon la littérature scientifique. Des nanofeuilles de pérovskite HCa2Ta3O10 réduites et des nanocomposites à hétérostructures g-C3N4/CdS sont des photocatalyseurs développés pour la photoréduction du CO2 sous la lumière du soleil. Les nanofeuilles de pérovskite HCa2Ta3O10 réduites sont préparées à partir de la pérovskite en couches CsCa2Ta3O10 par une méthode d'échange d'ions simple couplée à un traitement sous H2. Elles présentent une surface très élevée et une meilleure absorption de la lumière solaire. Leur large bande interdite est considérablement rétrécie par une introduction considérable de Ta+4 et de lacunes d'oxygène. En tant que support des nanoparticules de Pt et CuO, les nanofeuilles réduites présentent une activité photocatalytique de réduction du CO2 améliorée avec formation principale d'éthanol. Le nanocomposite g-C3N4/CdS hétérostructure est synthétisé par une méthode avancée développée par notre groupe en utilisant les gazes NH3 et H2S sous une haute pression créée in situ. Elle fracture la structure du C3N4, créant des nanoparticules CdS (NP) à la surface de iv la structure C3N4 modifiée. Le nanocomposite synthétisé comporte un C3N4 poreux lié aux nanoparticules CdS via le pont C-S-Cd. La structure est particulière avec la présence de nanoparticules de CdS qui favorise une photoréduction améliorée du CO2 sous la lumière du soleil avec une sélectivité élevée de production de CO. Les nanofeuilles et nanofragments de g-C3N4 sont synthétisés par de nouvelles approches en tant que photocatalyseurs pour la production de H2. Le complexe supramoléculaire de mélamine et d’acide cyanurique (MCS) avec une structure lamellaire condensée est synthétisé pour la première fois dans un autoclave à haute pression en tant que précurseur riche en N. La structure particulière du complexe MCS permet la formation directe de nanofeuilles g-C3N4 avec une surface spécifique élevée et une absorption de lumière significativement améliorée dans la région visible par le processus de traitement thermique à basse température. Les nanofeuilles telles que préparées peuvent générer un taux de production de H2 élevé en utilisant le spectre lumineux étendu à 550 nm avec une efficacité quantique élevée de 3,5%. Il est intéressant de noter que la préparation du complexe MCS induit une haute pression de NH3 et H2O, qui peut fracturer sélectivement la structure de C3N4 pour former des nanofragments avec une cristallinité élevée et des groupes fonctionnels abondants (-OH et -NH2). Les nanofragments préparés présentent des caractéristiques supérieures telles que la séparation et le transfert rapides des charges avec un excellent entraînement de charge, un niveau de bande de conduction élevé et une meilleure adsorption et activation des protons. Ils présentent une production photocatalytique exceptionnelle de H2 sous la lumière du soleil, avec un rendement quantique de 12,3% à 420 nm. / The thesis, herein, reviews solar-fuel production from H2O and CO2 using photocatalysts, which is considered as one of the most promising solutions to tackle global warming and fuel crisis. Importantly, this thesis provides four novel approaches to develop efficient nanostructured photocatalysts for both photocatalytic CO2 reduction and H2 production. Light-harvesting, charge separation, and surface reactions are critical aspects that have an enormous impact on the CO2 photoreduction and photocatalytic H2 production. g-C3N4 and perovskite materials are suitable candidates for these processes as they offer outstanding structural features and properties. A large number of nanostructured photocatalysts are currently developed for both CO2 photoreduction and photocatalytic H2 production. 2D nanostructures and nanocomposite heterostructures are widely studied because of their excellent properties such as efficient separation and long lifetime of charge carriers. Promisingly, 2D nanostructures and nanocomposites of the g-C3N4 and perovskite materials exhibit excellent photocatalytic performance, according to literature studies. Reduced HCa2Ta3O10 perovskite nanosheets and g-C3N4/CdS heterostructure nanocomposite are developed photocatalysts for the CO2 photoreduction under sunlight. Reduced HCa2Ta3O10 perovskite nanosheets are prepared from the layered perovskite CsCa2Ta3O10 by a simple ion-exchange method coupled with the H2 treatment. They exhibit very high surface area and improved sunlight absorption. Their wide-bandgap is significantly narrowed by a considerable introduction of Ta+4 and oxygen vacancies. By the support of deposited Pt and CuO nanoparticles, the reduced nanosheets exhibit an enhanced photocatalytic CO2 reduction activity with the primary formation of ethanol. g-C3N4/CdS heterostructured nanocomposite is synthesized by an advanced method developed by our group employing an in-situ-created high-pressure of NH3 and H2S. It fractures the carbon nitride framework, simultaneously creating CdS nanoparticles (NPs) on the surface of the modified C3N4 structure. The prepared nanocomposite contains a porous C3N4 structure in intimate contact with CdS nanoparticles via the C-S-Cd bridge. The distinctive structure with the presence of CdS nanoparticles favors an enhanced sunlight-driven photoreduction of CO2 with high selectivity toward CO. vi g-C3N4 nanosheets and nanofragments are synthesized by novel approaches as photocatalysts for the H2 production. Highly condensed lamellar melamine–cyanuric acid supramolecular (MCS) complex is synthesized, for the first time, in an autoclave at high pressure as the Nrich precursor. The distinctive structure of the MCS complex allows the direct formation of g-C3N4 nanosheets with high specific surface area and significantly enhanced light absorption in the visible region under low-temperature thermal treatment. The as-prepared nanosheets can generate a remarkable H2 production rate under the light spectrum extending to 550 nm with a high quantum efficiency of 3.5%. Interestingly, the preparation of the MCS complex induces a high-pressure of NH3 and H2O, which can fracture the C3N4 framework selectively to form nanofragments with high crystallinity and rich functional groups (-OH and -NH2). The prepared nanofragments display superior features such as rapid charge separation and transfer with excellent charge drive, high conduction band (CB) level, and improved proton adsorption and activation. They exhibit an outstanding photocatalytic H2 production under sunlight, with QE as high as 12.3% at 420 nm.

Les objectifs principaux de ce travail sont de faire la synthèse et la caractérisation de deux familles de catalyseurs à structure pérovskite de formule générale LaMi.xCuxOi (M = Cr, Ga; 0 < X > 0,4), ainsi que d'en faire l'essai pour la réduction catalytique du monoxyde d'azote (NO) en utilisant du propylène (C3I-L,) comme agent réducteur. Une série d'expériences destinées à déterminer la structure, la surface spécifique, la réductibilité et la quantité d'oxygène à la surface de tous les échantillons essayés ont été réalisées. Les résultats montrent que tous les échantillons utilisés avaient une structure principalement pérovskite et que la surface spécifique était supérieure pour les échantillons préparés ou post-traités en utilisant la méthode de broyage. L'augmentation de la quantité de cuivre dans les deux familles de catalyseurs augmente leur réductibilité ainsi que la quantité d'oxygène adsorbée à la surface. Les résultats catalytiques indiquent que la famille de catalyseurs contenant du chrome présente une activité plus élevée pour la réduction sélective du NO en N2 que leurs équivalents contenant du gallium. L'addition de cuivre dans la structure augmente l'activité catalytique pour la réduction du NO et pour l'oxydation du C3H6. Cependant, la présence d'oxygène dans le courant gazeux a un effet négatif sur la réduction du NO, qui disparaît complètement à une concentration de 0,5 % sur l'échantillon le plus performant, dans notre cas le LaCro.ôCuo^Oj broyé.

Les objectifs principaux de ce travail sont de faire l'étude de la synthèse, de la caractérisation et des propriétés catalytiques de nanocatalyseurs à l'argent et au cuivre supportés sur l'alumine {Ag/Al₂O₃ (I), Cu/AI₂O₃ (I) et Ag-Cu/A1₂O₃ (I)} pour la réduction catalytique sélective des NOx par le propylene sur une plage de concentration d'oxygène comprise entre 1 à 15%. Les propriétés physicochimiques telles que la structure, la surface spécifique, la réductibilité thermique en présence d'hydrogène ont été étudiées. Les catalyseurs obtenus sont des nanocristaux, leurs propriétés sont nettement différentes en comparaison aux matériaux de taille micrométrique. Les résultats obtenus montrent que les échantillons à base d'argent utilisés dans cette recherche avaient une structure principalement cristalline et que la surface spécifique était très élevée. Le matériau préparé en une seule étape Ag/Al₂O₃ (I) présente une plus grande surface spécifique que celui préparé en deux étapes et le catalyseur conventionnel. Pour cela cette méthode a été retenue pour préparer les autres échantillons étudiés dans ce travail. Également on a pu observer qu'avec l'addition du cuivre aux catalyseurs on voit que la surface spécifique diminue considérablement, avec l'absence de la structure cristalline et que leur réductibilité vis-à-vis de l'hydrogène adsorbée à la surface augmente. Les résultats catalytiques indiquent que le catalyseur Ag/A1₂O₃ (I) préparé en une seule étape présente une meilleure activité catalytique pour la réduction sélective du NO en N₂ en présence d'une teneur d'oxygène très élevée comparativement aux Ag/Al₂O₃ (II) et Ag/Al₂O₃ (C) préparés en deux étapes et à partir de l'alumine commerciale pour les mêmes conditions réactionnelles. Pour Ag/A1O₃ (I), l'addition du cuivre Ag-Cu/A1₂O₃ (I) dans la structure augmente l'activité catalytique pour la réduction du NO, pour l'oxydation de C₃H₆ et la stabilité thermique à de très hautes températures. Cependant, la présence d'oxygène dans le courant gazeux a un effet négatif sur la réduction de NO avec le catalyseur Cu/A1₂O₃ (I), qui devient quasiment inactif à une concentration de 10 à 15% d'oxygène.