Ce travail concerne l'étude approfondie des propriétés physicochimiques de plusieurs systèmes à base de tensioactifs non ioniques fluorés et hydrogénés en relation avec la synthèse de matériaux mésoporeux silicatés. L'un des buts recherché est de prévoir les caractéristiques structurales et texturales du matériau en fonction de l'application visée. Nous avons ainsi démontré que la courbe de point de trouble, qui caractérise les systèmes à base de tensioactifs non ioniques, doit être localisée à haute température pour obtenir un matériau structuré. Toutefois, cette condition n'est pas suffisante et le rapport des volumes molaires des parties hydrophiles (VA) et hydrophobes (VB) du tensioactif doit être prise en compte. Ainsi, l'étude de nombreux systèmes mixtes a permis de préciser la gamme des rapports VA/VB compatible avec l’obtention de matériaux organisés. A la suite de ce travail, une étude structurale des micelles a été engagée par des méthodes de diffusion de rayonnements (neutrons, RX). A partir des systèmes fluorés étudiés, nous avons montré que la présence de micelles sphériques favorise la formation de matériaux structurés selon une symétrie hexagonale. De façon complémentaire, le suivi in-situ de la formation de la mésophase hybride a apporté des informations intéressantes sur le mécanisme d'auto-assemblage qui gouverne la génération des silices mésoporeuses structurées. L'effet de l'ensemble des paramètres de synthèse sur les propriétés des matériaux mésoporeux a également été étudié, notamment en faisant appel à la méthode des plans d'expériences. La stabilité hydrothermale marquée des silices mésoporeuses préparées à partir de composés fluorés a été démontrée. Finalement, les propriétés spécifiques des silices mésoporeuses, préparées à partir de micelles fluorées, ont été mises à profit pour la conception de bio-réacteurs. Nous avons ainsi montré qu'une lipase physisorbée à la surface de tels matériaux pouvait catalyser une réaction d'estérification. Ce résultat très prometteur offre des ouvertures pour des applications dans le cadre par exemple du développement d'agro-diesel. / This work deals with the study of the properties of several non-ionic fluorinated and hydrogenated surfactant based systems which are related to the synthesis of mesoporous silicate materials. One of the aims is to predict the structural and textural properties of the final material for a given application. Thus, we have proved that the cloud point curve, which is characteristic of non-ionic surfactant based systems, must be present at high temperature to obtain well-ordered materials. However, this condition is not the only one but also the ratio between the molar volumes of the hydrophilic part (VA) and the hydrophobic part (VB) of the surfactant should be taken into account. Thus, the study of several mixed systems has allowed to precise the values of VA/VB which correspond to hexagonal materials. A structural study of the fluorinated micelles have been also performed by scattering methods (neutrons and X-ray). We have shown that the presence of spherical micelles promotes the formation of ordered hexagonal materials. Moreover, the in situ observation of the hybrid mesophase formation has shed light on the cooperative templating mechanism which leads to mesostructured silica materials. The effect of the synthesis parameters onto the properties of the materials has also been studied, particularly using the factorial design method. The high hydrothermal stability of the materials prepared from fluorinated surfactant based systems has been demonstrated. Finally, the mesoporous materials prepared from fluorinated micelles have been used as a support for the immobilization of an enzyme. Furthermore, we have shown that a lipase, physically adsorbed onto these materials, can be used to catalyse an esterification reaction. This result offers an outlook for applying these mesoporous materials to bio-diesel synthesis.

Une nouvelle voie de synthèse de carburants à partir de biomasse a été récemment proposée : la transformation directe du sorbitol (sucre hydrogéné d'origine lignocellulosique) en alcanes légers (six atomes de carbone au maximum) en phase aqueuse par catalyse hétérogène bifonctionnelle métal/acide, suivant la réaction : C6O6H14 + 6 H2 → C6H14 + 6 H2O (déshydratation/hydrogénation du sorbitol en hexane). L'enjeu de la thèse est d'identifier des systèmes catalytiques bifonctionnels stables, actifs et sélectifs pour les hydrocarbures à 5 ou 6 atomes de carbone, valorisables dans le pool essence.Les premiers systèmes étudiés sont des catalyseurs à base de platine et de ruthénium supportés sur silice-alumine. Ces catalyseurs ne sont pas stables en milieu hydrothermal et catalysent des réactions indésirables de rupture C-C : la décarbonylation dans le cas du platine (conduisant au CO2) et l'hydrogénolyse ou la méthanation dans le cas du ruthénium. C'est pourquoi de nouveaux systèmes catalytiques ont été préparés par des mélanges mécaniques de catalyseurs métalliques (Pt, Pd, Ir) déposés sur zircone et d'oxydes tungstés (ZrO2-WOx, Al2O3-WOx, TiO2-WOx). Ces systèmes catalytiques présentent une stabilité en phase aqueuse meilleure que pour les catalyseurs à base de silice-alumine. Les sélectivités varient en fonction de la nature de l'oxyde et de la nature du métal utilisés. En particulier, Un nouveau système catalytique, Pt/ZrO2 + TiO2-WOx, (brevet 12/01.546) s'est révélé actif et très sélectif pour les composés en C6. Enfin, les mécanismes réactionnels mis en jeu pour la réaction de transformation du sorbitol ont été discutés en s'appuyant sur des tests de réactivité modèle. / A new way of biofuels synthesis was recently proposed: the direct transformation of sorbitol (ex-lignocellulose hydrogenated sugar) into light hydrocarbons (maximum six carbon atoms) in aqueous phase by metal/acid bifunctional heterogeneous catalysis, following the reaction : C6O6H14 + 6 H2 → C6H14 + 6 H2O (dehydration/hydrogenation of sorbitol into hexane). The aim of the PhD work is to identify stable and active bifunctional catalytic systems with selectivity to 5-6 carbon atoms hydrocarbons, which can be further upgraded into gasoline. The first studied systems are platinum and ruthenium catalysts supported on silica-alumina. These catalysts are not stable in hydrothermal medium and catalyse undesired C-C cleavage reactions such as decarbonylation for platinum (leading to CO2) and hydrogenolysis or methanation for ruthenium. That is why new catalytic systems have been prepared by mechanical mixing of metallic catalysts (Pt, Pd, Ir) supported on zirconia and tungstated oxides (ZrO2-WOx, Al2O3-WOx, TiO2-WOx). These catalytic systems present an improved hydrothermal stability compared to the silica-alumina based catalysts. Various selectivities are obtained depending on the oxide and metal natures. Particularly, A new catalytic system, Pt/ZrO2 + TiO2-WOx, (patent 12/01.546), was found to be active and very selective to C6 compounds. Finally, the reaction mechanisms involved in the sorbitol transformation reaction have been discussed, referring to model reactivity tests.

L’amélioration de la qualité de l’air est un enjeu majeur pour la santé et l’environnement. Le challenge pour les fabricants de convertisseurs catalytiques pour la dépollution automobile est d’optimiser leur formulation pour répondre aux normes réglementant les émissions polluantes se durcissant, tout en rentabilisant l’utilisation de métaux précieux dont les ressources s’épuisent. Dans cette thèse, un nouveau support catalytique MgAl2O4 méso-poreux a été synthétisé par atomisation d’un sol aqueux contenant un copolymère tri-blocs. Les nano-cristallites de MgAl2O4 en contact quasi-ponctuel permettent d’atteindre des taux de dispersion de la phase active Pt-Pd supérieurs à ceux d’un catalyseur d’oxydation Diesel commercialisé, pris comme référence par la société Renault. La phase active d’un catalyseur 2,5%m.PtPd(3:2)[450°C]/MgAl2O4[900°C] présente une stabilité hydrothermale similaire à celle ce dernier grâce aux ancrages chimiques (croissance épitaxiale, solutions solides) et mécaniques (marches atomiques, pores). Bien que la totalité des métaux précieux ne soit pas accessible (insertion, encapsulation) pour l’oxydation du CO, des HC et de NO, les performances catalytiques atteintes par ce catalyseur au cours de vieillissements hydrothermaux sont comparables à celle d’un DOC de référence. La conversion des HC est similaire à celle du DOC de référence et dépendante de la concentration locale des sites actifs. La conversion du CO est légèrement pénalisée car les particules sont de trop petite taille et à l’état oxydé. Enfin, ce catalyseur ne réduit pas les NOx, en revanche il assure une oxydation plus importante de NO en NO2 après vieillissement hydrothermal que le DOC de référence, ainsi que le stockage de NO2. Cela représente un avantage majeur pour le bon fonctionnement du filtre à particules situé en aval du DOC. / The improvement of air quality is a major issue for the health and the environment. The challenge for the manufacturers of catalytic converters for automotive depollution is to optimize their formulation to meet the standards regulating the polluting emissions hardening, while making a profitable use of the precious metals whose resources are becoming exhausted. In this thesis, a new, mesoporous, MgAl2O4, catalytic support was synthesized by atomization of an aqueous sol containing a tri-block copolymer. The MgAl2O4 nanocristallites in point contact enable to reach higher dispersion rates of the Pt-Pd active phase than those of a commercialized DOC taken as reference by Renault. The active phase of the 2,5%m.PtPd(3:2)[450°C]/MgAl2O4[900°C] catalyst presents similar hydrothermal stability to that of the reference DOC thanks to chemical anchoring (epitaxial growth, solid solutions) and mechanical anchoring (atomic steps, pores). Although the totality of the precious metal content is not accessible (insertion, encapsulation) for CO, HC and NO oxidation, the catalytic performances reached by this catalyst during hydrothermal aging are comparable with that of the reference DOC. The conversion of the HC is similar to that of the reference DOC and depends on the local concentration of the active sites. The CO conversion rate is slightly penalized since the particles are too smalls and in an oxidized state. Lastly, this catalyst does not reduce NOx but ensures a more important oxidation of NO in NO2 after a hydrothermal aging than the reference DOC and also the storage of NO2 which have a positive impact on the proper functioning of the downstream diesel particulate filter.

La catalyse solide acide a été pendant longtemps l'objet d'activité de recherche intense, en particulier pour l'industrie pétrochimique. Aujourd'hui, les catalyseurs solides acides sont de plus en plus étudiés dans d'autres domaines et en particulier dans celles liées à la "chimie verte" et à la valorisation des bioressources, telles que la synthèse de biodiesel et la transformation des polysaccharides. L'objectif de la thèse est d'étudier le potentiel des matériaux poreux sulfonés ayant une porosité contrôlée dans des réactions catalysées par un acide en condition eau surchauffé telle que l'hydrolyse de la cellobiose. Dans une première partie, nous décrivons la préparation et la caractérisation des organosilicates mésoporeux périodiques sulfonés de type SBA-15, SBA-1 et KIT-6 par co-condensation de 1,4-bis (triéthoxysilyl) benzène (BTEB). Les matériaux ont été acidifiés suivant des voies différentes à l'aide de 3-mercaptopropyltriméthoxysilane (MPTMS)/H2O2 ou d'acide chlorosulfonique (ClSO3H). Leur propriété acide a été étudiée par adsorption d'NH3 suivie par calorimétrie et par la réaction de déshydratation d'isopropanol (IPA) comme réaction modèle en phase gazeuse. Contrairement à notre attente, l'adsorption d'NH3 suivie par calorimétrie a mis en évidence l'hétérogénéité de la force des sites suggérant la présence de sites distincts de la sulfonation. Les solides sulfonés avec l'acide chlorosulfonique ont une activité équivalente à celle de la résine sulfonée, Amberlyst 15, mais ils sont moins stables en raison de la libération des espèces de soufre. Les catalyseurs préparés en utilisant un groupement mercapto-propyle suivie d'une oxydation sont moins acides et ils ont donné des niveaux d'activité plus basse dans la réaction de déshydratation d'IPA. Pour l'hydrolyse de la cellobiose, de bonnes performances ont été obtenues à 150°C, mais, ces matériaux se sont montrés instables dans des conditions hydrothermales avec une lixiviation totale de soufre réalisant alors la réaction en phase homogène. Un lavage dans l'eau surchauffée des matériaux contenant des groupements propyles-SO3H conduit à une diminution de leur efficacité dans l'hydrolyse de la cellobiose, mais un gain de stabilité a été obtenu, permettant le recyclage de ces matériaux. Dans une deuxième partie, des répliques carbonées sulfonées par l'acide chlorosulfonique ou l'acide sulfurique ont été synthétisé. La sulfonation par l'acide sulfurique suivi par un lavage dans l'eau bouillante puis un prétraitement thermique à 300°C sous azote, de ces matériaux aboutissent au meilleur catalyseur en termes d'activité/stabilité.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude des propriétés d’adsorption et de séparation en milieu humide par des polymères de coordination poreux. Nous avons utilisé les techniques de volumétrie d’adsorption, de séparation par chromatographie en phase gaz, de spectroscopie de fluorescence ainsi que et de la modélisation Monte Carlo afin de comprendre les mécanismes qui gouvernent l’adsorption de ces matériaux. Les molécules adsorbables étudiées sont l’eau et des vapeurs d’hydrocarbures linéaires (pentane et n-hexane), cycliques (cyclohexane et cyclohexène) et polycycliques (anthracène). Les adsorbants étudiés sont les Analogues de Bleu de Prusse (ABP) ainsi que deux matériaux organométalliques poreux de référence, le ZIF8 et le CuBTC. Parmi les résultats principaux apportés par ce travail, nous avons montré que les Analogues de Bleu de Prusse ont une stabilité hydrothermale remarquable leur conférant des propriétés d’adsorption en milieu humide très prometteuses. Parmi les ABP étudiés, le Co[CoIII(CN)6]0.66 ⊡0.33 .5.2H2O a montré des propriétés d’adsorption et de séparation très supérieures à celles d’autres ABPs. Par exemple, il a été possible de moduler sa balance hydrophobe/hydrophile par le contrôle de la coordination de l’eau sur le centre métallique insaturé, tout en préservant son caractère lipophile. Nous avons aussi montré que cet analogue de bleu de Prusse est capable de séparer des mélanges d’hydrocarbures secs ou très humides de façon répétée. Sur un aspect plus fondamental, nous avons montré que le confinement d’anthracène par le ZIF-8, qui est un composé organométallique poreux possédant des cavités de taille ajustée à celle du fluorophore, pouvait induire une extinction complète de certaines bandes d’absorption de celui-ci. / This PhD thesis is focused on the study of wet adsorption and separation properties by porous coordination polymers. We used adsorption volumetry, gas chromatography separation techniques, fluorescence spectroscopy techniques and Monte Carlo modeling to understand the mechanisms governing the adsorption of these materials. The adsorbable molecules studied are water and hydrocarbon vapors linear (pentane and n-hexane), cyclic (cyclohexane and cyclohexene) and polycyclic (anthracene). The adsorbents studied are the Prussian Blue Analogues (ABP) as well as two reference porous organometallic materials, ZIF8 and CuBTC. Among the main results provided by this work, we have shown that Prussian Blue Analogues have remarkable hydrothermal stability conferring them very promising wet adsorption properties. Among the ABPs studied, Co [CoIII (CN)6] 0.66 ⊡0.33 .5.2H2O showed adsorption and separation properties far superior to those of other ABPs. For example, it has been possible to modulate its hydrophobic / hydrophilic balance by controlling the coordination of water on the unsaturated metal center, while preserving its lipophilic character. We have also shown that this Prussian blue analogue is capable of separating mixtures of dry or very wet hydrocarbons repeatedly. On a more fundamental aspect, we have shown that the confinement of anthracene by ZIF-8, which is a porous organometallic compound with cavities of size adjusted to that of the fluorophore, could induce a complete extinction of certain absorption bands of this one.

La catalyse solide acide a été pendant longtemps l'objet d'activité de recherche intense, en particulier pour l'industrie pétrochimique. Aujourd'hui, les catalyseurs solides acides sont de plus en plus étudiés dans d'autres domaines et en particulier dans celles liées à la «chimie verte» et à la valorisation des bioressources, telles que la synthèse de biodiesel et la transformation des polysaccharides. L’objectif de la thèse est d’étudier le potentiel des matériaux poreux sulfonés ayant une porosité contrôlée dans des réactions catalysées par un acide en condition eau surchauffé telle que l'hydrolyse de la cellobiose. Dans une première partie, nous décrivons la préparation et la caractérisation des organosilicates mésoporeux périodiques sulfonés de type SBA-15, SBA-1 et KIT-6 par co-condensation de 1,4-bis (triéthoxysilyl) benzène (BTEB). Les matériaux ont été acidifiés suivant des voies différentes à l'aide de 3-mercaptopropyltriméthoxysilane (MPTMS)/H2O2 ou d'acide chlorosulfonique (ClSO3H). Leur propriété acide a été étudiée par adsorption d’NH3 suivie par calorimétrie et par la réaction de déshydratation d'isopropanol (IPA) comme réaction modèle en phase gazeuse. Contrairement à notre attente, l'adsorption d’NH3 suivie par calorimétrie a mis en évidence l'hétérogénéité de la force des sites suggérant la présence de sites distincts de la sulfonation. Les solides sulfonés avec l'acide chlorosulfonique ont une activité équivalente à celle de la résine sulfonée, Amberlyst 15, mais ils sont moins stables en raison de la libération des espèces de soufre. Les catalyseurs préparés en utilisant un groupement mercapto-propyle suivie d’une oxydation sont moins acides et ils ont donné des niveaux d'activité plus basse dans la réaction de déshydratation d'IPA. Pour l'hydrolyse de la cellobiose, de bonnes performances ont été obtenues à 150°C, mais, ces matériaux se sont montrés instables dans des conditions hydrothermales avec une lixiviation totale de soufre réalisant alors la réaction en phase homogène. Un lavage dans l'eau surchauffée des matériaux contenant des groupements propyles-SO3H conduit à une diminution de leur efficacité dans l'hydrolyse de la cellobiose, mais un gain de stabilité a été obtenu, permettant le recyclage de ces matériaux. Dans une deuxième partie, des répliques carbonées sulfonées par l’acide chlorosulfonique ou l’acide sulfurique ont été synthétisé. La sulfonation par l’acide sulfurique suivi par un lavage dans l’eau bouillante puis un prétraitement thermique à 300°C sous azote, de ces matériaux aboutissent au meilleur catalyseur en termes d’activité/stabilité. / Catalysis with solid acids has been for a long time the subject of intense research activities, especially for the petrochemical industry. Nowadays, solid acid catalysts are more and more studied in other areas and particularly in those related to “green chemistry” and bioresources valorization such as biodiesel synthesis and now polysaccharides transformations. The present work aimed to investigate the potential of acidic ordered mesoporous materials with a controlled local environment of the acid sites for applications in acid catalyzed reactions in hot water such as cellobiose hydrolysis. First we described the synthesis of periodic mesoporous organosilicas SBA-15, SBA-1 and KIT-6 types, from the condensation of 1,4-Bis(triethoxysilyl)benzene. The material was sulfonated using 3-mercaptopropyltrimethoxysilane further oxidized with H2O2 or chlorosulfonic acid to give Brønsted solid acids which were fully characterised. Their acidic properties were studied by calorimetry of NH3 adsorption and in the model reaction of gas phase isopropanol dehydration. The calorimetry of NH3 adsorption has evidenced the heterogeneity of the acid strength distribution suggesting the presence of distinct sites of sulfonation contrary to our expectation. For gas phase isopropanol (IPA) dehydration, the solids sulfonated with the chlorosulfonic acid exhibited an activity equivalent to that of the sulfonated resin, Amberlyst 15, but were less stable due to sulphur species release, assumed to be sulfonated silanols. The acidic organosilicas obtained via H2O2 oxidation of the mercapto-propyl group are less acidic catalysts, showing a low activity for gas phase IPA dehydration. In the hydrolysis reaction, the solids were active at 150 °C however sulfur leaching analysis showed that the reaction preceded mainly homogeneously, especially for the material acidified with chlorosulfonic acid. A hot washing pre-treatment applied to the catalysts containing the sulfonated propyl groups, led to a decrease of their hydrolysis activity but along with a gain of stability allowing recycling. Second we described the synthesis of ordered mesoporous carbon and their sulfonation with chlorosulfonic acid or sulfuric acid. Sulfonation of carbon replicas with sulfuric acid followed by washing in hot water and thermal pretreatment at 300°C under nitrogen, lead to the best catalyst in terms of activity / stability.

La conception de solides à la fois stables en conditions hydrothermales, mais aussi capables de convertir des composés biosourcés en molécules plateformes dans un même lit catalytique, représente un défi majeur en science des matériaux.Dans ce contexte, des oxydes mixtes binaires et ternaires de silice dopée avec les éléments W, Ti, Zr, Nb, Ta et Mg (3 à 20%at.) ont été élaborés via la méthode non conventionnelle de synthèse Sol-Gel Non Hydrolytique (SGNH). Cette méthode permet d’obtenir des oxydes mixtes très homogènes et de moduler finement leurs propriétés via les paramètres de synthèse.Les solides sont majoritairement amorphes et mésoporeux. Les analyses en MET-EDS, FTIR et ToF-SIMS indiquent que les éléments dopants sont bien dispersés dans la silice et que les oxydes mixtes présentent majoritairement une homogénéité allant jusqu’à l’échelle nanométrique voire atomique.Les molécules sondes NH3 et CO révèlent la présence des sites acides de forces faible et moyenne, majoritairement de type Lewis pour l’ensemble des matériaux. La densité de sites acides peut être promue via : l’amélioration du degré d’homogénéité entre les oxydes, l’élaboration d’oxydes mixtes ternaires et l’augmentation de la teneur en éléments dopants.La caractérisation des solides par la réaction modèle de conversion du mélange cyclopentanol/cyclohexanone en phase gaz montre que la majorité des matériaux catalysent à la fois des réactions de déshydratation et de transfert d’hydrogène (réduction MPVO).Après traitement hydrothermal en phase gaz à 400°C, les solides conservent de bonnes textures, en particulier les oxydes mixtes ternaires et dopés à haute teneur.Cette étude montre la versatilité de la méthode de synthèse SGNH et son potentiel pour mettre au point des oxydes mixtes binaires et ternaires très homogènes. Les oxydes mixtes ternaires, contenant 20% d’éléments dopants et contenant du Nb, du Zr ou du Ta sont particulièrement prometteurs pour les applications visées. / The design of new heterogeneous catalysts with good hydrothermal stability that are able to transform bio-based components into building blocks in one single catalytic process is a main challenge in material science.In this context, binary and ternary mixed oxides of silica doped with W, Ti, Zr, Nb, Ta et Mg (3 to 20%at.) have been produced with the non-conventional Non-Hydrolytic Sol-Gel (NHSG) synthesis method. This method enables to obtain highly homogeneous mixed oxides and to finely shape the properties of the material with the synthesis parameters.The solids are mostly amorphous and mesoporous. TEM-EDS, FTIR and ToF-SIMS analysis indicate that the doping elements are highly dispersed in the silica and that most of the mixed oxides display nanometric or atomic scale homogeneity.The NH3 and CO bases show the presence of mostly Lewis weak and medium strength acid sites for these materials. The acid sites density can be improved through: increasing mixed oxide homogeneity, preparing ternary mixed oxides, increasing doping element content.The conversion of the mixture cyclopentanol/cyclohexanone in the gas phase shows that the majority of the materials perform both dehydration and hydrogen transfer reactions (MPVO reduction).After steaming at 400°C, the solids maintain good textures, particularly ternary mixed oxides and mixed oxides containing high dopant content.This study shows the versatility of the NHSG synthesis method and its applicability in order to design binary and ternary mixed oxides. The ternary mixed oxides containing 20%at. of doping elements with Nb, Zr and Ta are promising for the conversion of bio-based compounds.