Mémoire (M.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1997. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Mémoire(M.Eng.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Le développement de couches minces dopées terres rares a suscité un regain d'intérêt au cours des dernières années. Dans ce mémoire nous présentons l'élaboration des couches minces d'yttria (Y2O3), d'alumine (Al2O3) et les couches mixtes Y2O3-Al2O3 dopées erbium. La technique utilisée est le procédé de dépôt chimique en phase vapeur à partir de précurseurs organométallique (MOCVD) assisté par aérosol. Un dispositif d'irradiation UV est appliqué afin d'assister le processus de réaction avec une modification de l'hygrométrie de l'air vecteur. Les meilleures propriétés sont obtenues pour les couches déposées sous une forte humidité de l'air vecteur et avec l'assistance UV. Dans ces conditions les couches d'yttria présentent une faible vitesse de croissance, une faible contamination organique et une bonne cristallinité dans la phase cubique de l'yttria. Plusieurs phénomènes d'Up-conversion ont été mis en évidence dans les spectres de fluorescence visible de l'erbium dans l'yttria. Une durée de vie du niveau 4I13/2 de l'erbium de 3.07 ms a été mesurée pour ce matériau après recuit à 800°C. Cette valeur est supérieure à celle obtenue pour l'échantillon déposé sous une faible humidité de l'air et sans l'assistance UV après recuit à 1000°C. Les couches d'alumine déposées dans les conditions optimales présentent des vitesses de croissance élevées et se caractérisent par une grande stabilité thermique, permettant l'élimination complète des impuretés tout en restant amorphe. Enfin, l'étude du système Y2O3-Al2O3 montre que les conditions de dépôt jouent un rôle important sur la composition et les propriétés physico-chimiques des dépôts. / The development of rare earth-doped thin film has gained interest over these last few years. In this report we present the elaboration of erbium-doped yttria (Y2O3), alumina (Al2O3) and yttria-alumina (Y2O3-Al2O3) films. The technique used is aerosol assisted chemical vapor deposition processes with metalorganic precursors (MOCVD). A UV-irradiation device is applied to assist the reaction process with a modification in the air humidity of the carrier gas. The best properties are obtained on thin films grown under high air humidity and with UV-assistance. Under such deposition conditions the yttria films present a low growth rate, low organic contamination and higher crystallisation degree in the yttria cubic structure. Several up-conversion phenomena are point out in the visible fluorescence spectra of the erbium ion in yttria. A lifetime of the 4I13/2 Er3+ level of 3.07 ms was found in this material after annealing at 800°C. This value is higher than that obtained for the sample deposited under low air humidity and without UV assistance after annealing at 1000°C. Alumina film deposited under optimal conditions show high growth rate and was a high thermal stability; allow the complete elimination of impurities while remaining amorphous. At last, the results of system Y2O3-Al2O3 indicates that deposition conditions play an important role on the composition and physicochemical properties of films.

L'objectif de ce travail de thèse est la compréhension de l'impact des propriétés acido-basiques des supports oxydes sur l'interaction métal-support ainsi que les effets du milieu réactionnel sur les propriétés structurales, électroniques, thermodynamique et réactives des catalyseurs métalliques hyper-dispersés. Le catalyseur modèle choisi est un agrégat monométallique de platine déposé sur alumine qui est la référence des études fondamentales pour permettre des progrès dans la compréhension de ce système complexe. La mise en œuvre de calculs dans le formalisme de la théorie de la fonctionnelle de la densité, réalisés à partir de modèles moléculaires périodiques, a permis de déterminer l'état de surface du catalyseur pour des conditions de température et de pression représentatifs de l'expérience. L'influence de la taille des particules conjointement à la présence de chlore sur la stabilité thermodynamique des agrégats de Pt supportés sur alumine-γ a démontré une stabilisation significative des agrégats Pt3 lors de la migration d'espèces de surface (H, OH et Cl) sur la particule. La reconstruction d'une morphologie biplanaire (la plus stable en absence d'hydrogène) vers une morphologie cuboctaédrique pour les forts taux de recouvrement en hydrogène sur les particules de Pt supportées a été démontrée et permet d'expliquer plusieurs observations expérimentales encore mal comprises. L'impact du milieu réactionnel sur la rupture C-C et C-H à partir de l'éthane sur l'agrégat Pt13 supporté sur alumine- γ a été démontré. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre l'importance des conditions de température et de pression du milieu réactionnel (notamment du rapport P(H2)/P(C2H6)) sur la stabilité des intermédiaires réactionnels. Ces résultats sont en accord avec les observations expérimentales et permettent de mettre en évidence que l'optimum de pression en hydrogène est relativement élevé dans le cas des réactions de reforming catalysées par du Pt seul. / The aim of this work is the understanding of the impact of acido-basic properties of oxide supports on the metal-support interaction as well as on the effects of reactive conditions on the structural, electronic, thermodynamic and reactive properties of hyper-dispersed metallic catalysts. The chosen model catalyst is a monometallic platinum cluster supported on alumina which is the reference of fundamental studies to improve the understanding of this complex system. DFT calculations were performed from periodic models to determine the surface state of the catalyst under representative experimental temperature and pressure. The influence of nano-clusters' size combined with the presence of chlorine on the thermodynamic stability of supported Pt clusters on γ-alumina demonstrated a significant stabilization of Pt3 clusters with the migration of surface species (H, OH and Cl) on the particle. The morphology reconstruction from biplanar (the most stable in absence of hydrogen) to a cuboctahedral morphology for the high hydrogen coverages on the supported Pt13 cluster is demonstrated and explains several experimental observations still controversial. The impact of the reactive conditions on the C-C and C-H bond scission from ethane on the Pt13 cluster supported on γ-alumina was demonstrated. Results helps to better understand the importance of temperature and pressure conditions in the reactive medium (notably the P(H2)/P(C2H6) ratio) on the stability of reactive intermediates. These results are in agreement with experimental observations and highlight that the optimum of hydrogen pressure is relatively high in the case of catalytic reforming reactions catalyzed by Pt only.

Ce travail porte sur le procédé NSR (NOx Storage-Réduction) de dépollution des gaz d'échappement automobile Diesel. Des catalyseurs contenant 2,12% Pt déposés sur alumine, cérine-zircone ou cérine modifiée, ont été caractérisés et évalués dans des conditions NSR, avec un regard particulier sur la sélectivité de la réduction des NOx. Les tests catalytiques sont effectués dans des conditions complexes : cycles 60s de stockage (mélange pauvre)/ 4s de réduction (mélange riche), avec des traces de réducteurs dans la voie pauvre et d’oxydant dans la voie riche. Des sélectivités importantes en N2O (gaz à effet de serre) ont pu être observées. Les émissions de N2O varient en fonction de la nature du support, de la température et des réducteurs mis en œuvre (C3H6, CO, H2 ou mélange C3H6+CO+H2). Dans certaines conditions, la présence de réducteur dans les phases pauvres contribue à la majorité du N2O émis lors des cycles NSR. Ces valeurs sont en bon accord avec les résultats obtenus en parallèle en régime stationnaire (SCR). A 200°C, H2 donne la plus grande sélectivité en N2O, essentiellement à cause de la réduction partielle des NOx en milieu pauvre. En revanche, à 300°C, C3H6 est le réducteur le plus sélectif en N2O, toujours avec une forte contribution des phases pauvres. Les résultats sont plus homogènes avec les catalyseurs supportés sur oxydes redox car ils favorisent la transformation des réducteurs dans la voie riche (réactions du gaz à l’eau et reformage de C3H6), conduisant à mélange réducteur moyenné. Les propriétés redox du support permettent aussi de limiter les émissions de NH3. / Lean reduction of NOx was studied on NSR (NOx storage-reduction) catalyst, with a special attention on N-compound selectivities. Platinum (2.12wt%) catalysts supported on various supports (alumina, ceria-zirconia and modified ceria) were characterized and evaluated in cycling conditions. Catalytic tests were performed and realistic and complex conditions: 60s for the storage phases (lean periods)/ 4s for the reduction (rich pulses). Gas mixture was composed of reducers and oxidants in both lean and rich atmosphere. In these conditions, high N2O emissions were measured (powerful greenhouse gas). The N2O selectivity depends on the redox properties of the support, the temperature and the chemical nature of the reducer (C3H6, CO, H2 or C3H6+CO+H2 mixture). In some conditions, more than half of the N2O production can occur during the storage phase, in lean condition. These results are in good agreement with those obtained in specific SCR tests. At 200°C, H2 lead to the higher N2O selectivity especially due to the partial NOx reduction in the lean period. At 300°C, N2O emission is mainly favoured with C3H6, with still a high contribution of the lean pulses. Results are less distinct with supported catalysts on redox material, due to the support involvement in the reducer transformation reactions (water gas shift and steam reforming), leading to a blend of reducers in the rich pulses. In addition, lower NH3 emissions were observed on platinum supported on redox oxides.

Le contrôle de la porosité des supports de catalyseurs est un enjeu important dans l'industrie du raffinage. L'objectif de cette thèse est de développer un nouveau procédé de précipitation afin d'obtenir des alumines γ présentant des propriétés texturales originales vis-à-vis de celles préparées de façon conventionnelle par précipitation de boehmite en réacteur agité. Pour cela, les influences combinées du précurseur, de la technologie de mélange et du temps de micromélange sur les propriétés physiques du produit final ont été étudiées. Ce travail de thèse propose donc une comparaison de trois technologies de mélange : un réacteur agité conventionnel, un réacteur à disque tournant et un disperseur rotor-stator. Les gammes de temps de micromélange accessibles avec chacun de ces réacteurs sont déterminées par la méthode iodure-iodate. L'étude porte sur la précipitation de deux précurseurs de l'alumine : la boehmite, classiquement utilisée, ainsi que la NH4-dawsonite, dont l'intérêt pour la préparation de supports de catalyseurs est plus récent. Leur solubilité est estimée dans la mesure du possible à l'aide des données thermodynamiques de la littérature. Dans le cadre de cette étude préliminaire, un modèle de suivi de la sursaturation en fonction du temps de micromélange est mis en place à l'aide des équations cinétiques de la précipitation de la boehmite. La caractérisation de la NH4-dawsonite précipitée en réacteur agité met en évidence l'intérêt de ce précurseur pour obtenir des alumines à forte porosité présentant des diamètres poreux moyens entre 10 et 30 nm. Une nuance est toutefois apportée aux fortes surfaces spécifiques généralement revendiquées sur ce matériau dans la littérature. Malgré tout, les propriétés texturales de l'alumine ex-dawsonite présentent une évolution thermique atypique lui permettant de se démarquer de l'alumine ex-boehmite. L'étude de la précipitation en mélangeur rapide met en évidence une grande différence de comportement entre les deux précurseurs. Contrairement à la boehmite, la forte sensibilité de la NH4-dawsonite au temps de micromélange permet d'obtenir une large gamme de propriétés texturales. Ce travail de thèse confirme donc l'intérêt de la NH4-dawsonite comme précurseur alternatif de l'alumine pour obtenir des propriétés texturales originales. L'utilisation de plusieurs systèmes précurseur / technologie de mélange s'avère également prometteuse pour couvrir une large gamme de propriétés texturales / Control of catalyst supports porosity is an important challenge for the refining industry. The aim of this thesis is to develop a new precipitation process in order to obtain γ-alumina supports exhibiting new textural properties compared with those prepared by the conventional boehmite precipitation route in stirred tank reactor. For that purpose, combined influences of precursor, mixing technology and micromixing time on the final product physical properties were studied.Three mixing technologies were compared: a classic stirred tank reactor, a sliding surface mixing device and a rotor-stator mixer. Micromixing time ranges achievable with each of these reactors were determined using the iodide-iodate method. The study focused on the precipitation of two alumina precursors: boehmite, usually used, and NH4-dawsonite, which interest for catalyst supports preparation is quite recent. A model was developed to simulate the supersaturation evolution as a function of the micromixing time, based on boehmite precipitation kinetic equations.Characterization of NH4-dawsonite precipitated in a stirred tank reactor confirmed this precursor interest in order to prepare high porosity aluminas with mean pore diameters ranging between 10 and 30 nm. Study of the precipitation conducted in fast contacting mixers highlighted a significant difference in the behaviour of both precursors. Contrary to boehmite, NH4-dawsonite high sensitivity to micromixing time led to a wide range of textural properties.This thesis work therefore confirms the NH4-dawsonite potential as an alternative alumina precursor in order to reach new textural properties. The use of several precursor / mixing technology systems has also proven promising to cover a wide range of textural properties

La valorisation de la biomasse lignocellulosique en molécules plateforme pour l'industrie chimique rend nécessaire l'adaptation des méthodes de raffinage à la transformation de composés organiques oxygénés. La déshydratation des alcools connaît dans ce contexte un fort regain d'intérêt. Les travaux de cette thèse s'attachent à comprendre à l'échelle moléculaire la réactivité d'un alcool modèle (isopropanol) sur catalyseurs aluminiques, au travers d'une étude mettant en jeu expériences et modélisation aux échelles moléculaire (DFT) et du réacteur (modélisation cinétique). En combinant expériences de spectroscopie infrarouge, mesures cinétiques et modélisation moléculaire appliquée à l'adsorption et aux chemins réactionnels de l'isopropanol sur l'alumine gamma, il est montré que la réactivité de cet alcool est principalement gouvernée par la facette (100) de l'alumine. Les formations compétitives de propène, majoritaire, et de diisopropyléther, minoritaire, impliquent un même intermédiaire alcoolate, adsorbé sur un atome d'aluminium acide de Lewis, qui évolue soit par élimination directe d'une molécule d'eau (mécanisme E2), soit par condensation avec une seconde molécule d'alcool adsorbée à proximité (mécanisme SN2). Un modèle microcinétique fondé sur ce site unique de réaction, incluant de surcroît la décomposition de l'éther en isopropanol et en propène, permet de reproduire les résultats expérimentaux à condition de prendre en compte l'effet de molécules d'eau et d'alcool co-adsorbées dans l'environnement du site actif, la formation de dimères eau - intermédiaire et la stabilisation de la seconde molécule d'alcool contribuant à l'ajustement du rapport éther/propène. / The upgrading of lignocellulosic biomass into strategic molecules for the chemical industry requires the adaptation of refining procedures to the transformation of oxygenated species. In this context, the dehydration of alcohols has seen renewed interest over the last decade. The work presented here aims at unravelling the reactivity of a model alcohol (isopropanol) over aluminic catalysts at the molecular scale. To this purpose, a study combining experiments and modelling at the molecular scale (DFT) and at the reactor scale (kinetic modelling) has been set up. By combining infrared spectroscopic experiments, kinetic measurements and molecular modelling of the adsorption and reaction pathways of isopropanol on gamma alumina, it is shown that this reactivity is mainly governed by the (100) facets of alumina. The competing formation of propene (major product) and diisopropylether (minor product) involves a common alcoolate intermediate adsorbed on a Lewis acidic aluminium atom, either by direct elimination of a water molecule (E2 mechanism) or by condensation with a second alcohol molecule adsorbed in vicinity (SN2 mechanism).A micro-kinetic model involving this single reaction site and including the transformation of the ether into isopropanol and propene allows reproducing the experimental results, provided that the effect of co-adsorbed water and alcohol molecules in the environment of the active site is taken into account, as the formation of water – intermediate dimers and the stabilization of the second alcohol molecule both contribute to an adjustment of the ether/propene ratio.

Dans ce travail, nous présentons une étude originale de l'utilisation des catalyseurs basiques solides dans la réaction de transestérification des acrylates. La réaction de l'acrylate d'éthyle avec le n-hexanol a été choisie comme réaction modèle. Les catalyseurs employés, à base d'alumines modifiées par des ions alcalins, alcalino-terreux ou fluorures, se sont avérés être actifs et sélectifs dans la réaction de transestérification, réalisée en conditions douces, sans solvant, en utilisant un rapport stoéchiométrique des réactifs. Les réactions secondaires ont été identifiées comme étant des réactions d'addition de Michael. Nous avons mis en évidence que la réaction de transestérification se produit sur des sites basiques faibles, le catalyseur Ca(NO3)2/ γ-Al2O3 ayant montré la sélectivité la plus élevée en acrylate d'hexyle (> 90%) pour une conversion supérieure à 60%. L'étude du recyclage du catalyseur nous a permis de déterminer les facteurs les plus influents tels que le contact du catalyseur avec le CO2 et l'eau ainsi que la teneur en fer de l'alumine employée comme support. Ces facteurs sont déterminants pour le recyclage du catalyseur, qui peut alors être recyclé jusqu'à 4 fois dans la réaction de transesterification de l'acrylate d'éthyle par le n-hexanol sans observer de changements significatifs de la conversion et de la sélectivité / We present an original study of the use of solid basic catalysts in the transesterification reaction of acrylates. The reaction of ethyl acrylate with n-hexanol was chosen as model reaction. The catalysts employed, based on alumina modified with alkalin, alkalin earth, and fluoride ions were shown to be active and selective for the reaction of transesterification reaction carried out under mild conditions, without solvent, using a stoechiometric amount of reactants . The secondary reactions were identified as Michael addition reactions. We demonstrated that the transesterification reaction occurs on weak basic sites, the catalyst Ca (NO3)2 /γ-Al2O3 has shown the highest selectivity in the hexyl acrylate (> 90%) for conversion greater than 60%. The study of the catalyst recycling allowed to determine the most influential factors such as the catalysts contact between CO2 and water as well as the iron content of the alumina support. These factors are critical to the success of the catalyst recycling, which was done four times in the reaction of transesterification of ethyl acrylate with n-hexanol without observing significant changes in the conversion and selectivity

L'utilisation des sol-gels comme matrices solides pour l'analyse de trace par ablation laser comme méthode d'échantillonnage pour des échantillons poudreux a été démontrée. L'homogénéité intrinsèque du procédé sol-gel permet d'augmenter la précision des mesures en maximisant la répétabilité du signal analytique d'une impulsion à l'autre pour des cibles solides faites à partir de poudres. Par contre, dans le but d'obtenir des résultats dotés d'une justesse et d'une précision acceptables pour l'analyse d'échantillons réels utilisant des étalons de mesure en spectrométrie de plasma optique induit par laser, il est important que la sensibilité de détection ne varie pas significativement entre les échantillons et les étalons. Cette similarité est souvent difficile à obtenir puisque les échantillons et les étalons de mesure sont habituellement préparés à partir de matériaux de différentes origines, ce qui induit souvent des différences au niveau du taux d'ablation. L'utilisation des sol-gels comme matrices solides pour la préparation d'étalons de mesure permet de remédier à ce problème. En effet, ils offrent la possibilité de choisir le précurseur le plus approprié afin de faire coïncider au maximum la matrice des étalons avec celles des échantillons. Dans ce projet, le procédé sol-gel a été utilisé pour réaliser la détermination d'élément présent à l'état de trace dans des échantillons d'alumine en poudre. Pour ce faire, nous avons combiné le procédé sol-gel à la méthode des ajouts dosés dans le but de compenser pour les effets de matrice provenant des différences entre les propriétés physiques et/ou le taux d'ablation entre les étalons de mesure et les échantillons. Nous avons également étudié les propriétés des différents types de pastilles sol-gels synthétisées au cours de ce projet et nous avons évalué leur potentiel analytique en termes de répétabilité et de sensibilité de détection. Finalement, nous avons comparé l'homogénéité de chacune d'entre elles par microscopie à balayage électronique en mode électrons rétro-diffusés. / The use of sol-gels as solid matrices for trace analysis of pelletized powders by laser ablation sampling has been demonstrated recently. The intrinsically high homogeneity of the sol-gel process leads to more precise measurements by maximizing the shot-to-shot signal repeatability from pelletized sample targets. However, in order to obtain results of acceptable accuracy and precision in the analysis of real samples by laser induced breakdown spectrometry using external calibration standards, it is desirable that analytical detection sensitivity does not vary significantly between the calibration standards and the samples. This is often hard to achieve because samples and standards are usually prepared using materials of different origins, and hence display different ablation rates. The use of sol-gels as solid matrices for the preparation of calibration standards allows one to fulfill this requirement by offering the possibility to choose the proper reaction precursor in order to tune the matrix composition and hence approximate the ablation behavior of the samples. In this project, the sol-gel process has been used to approximate the sample matrix of powdered alumina samples and, together with the standard addition method, to compensate for physical matrix effects originating from differences in physical properties and/or ablation rate between calibration standards and samples. The properties of an alumina-like sol-gel-based matrix were studied in terms of signal repeatability and detection sensitivity, and the behaviour of such sol-gel-based solid pellets regarding ablation and vaporization was studied by Scanning Electron Microscopy (SEM).

Ce travail doctoral présente différentes voies de recherches pour l'élaboration d'un catalyseur hétérogène bifonctionnel favorisant la production des acides linoléiques conjugués (ALC) bénéfiques pour la santé humaine, aux dépens des acides gras trans (AG/) et saturés (AGs) néfastes, au cours du procédé d'hydrogénation/isomérisation de l'huile de carthame. De tous les catalyseurs à base de cristallites de métaux très dispersées sur la silice mesoporeuse SBA-15, modifiée ou non avec l'aluminium, qui ont été synthétisés et testés pour l'hydrogénation/isomérisation de l'huile de carthame, le catalyseur 1%Rh/SBA-15 s'avère être le plus actif et optimise la production des ALC sous des conditions opératoires douces de transfert de matière gaz/liquide/solide. L'huile partiellement hydrogénée contient 73 mg ALC/g huile et moins de 2% AGt mono-insaturés. L'addition de 1 ppm de soufre permet de doubler la production à 131 mg ALC/g huile avec 8% AGr mono-insaturés. Un mécanisme réactionnel est proposé pour décrire les effets positifs du soufre sur l'activité d'isomérisation de conjugaison de 1%Rh/SBA-15.