Le développement de nouveaux catalyseurs pour l’hydrogénation sélective du propyne et du propadiène (MAPD) est un processus complexe, puisqu’il s’agit d’une réaction rapide effectuée en gaz-liquide-solide. Dans ces conditions, le flux d'hydrogène transporté aux sites actifs du catalyseur contrôle la vitesse de la réaction, particulièrement à l’échelle pilote. Cela rend difficile la comparaison des performances des différents catalyseurs (conversion et sélectivité). Afin d’améliorer la discrimination des solides, l’hydrogénation sélective du MAPD a été étudiée en monophasique (fluide/solide) dans un réacteur filaire à haute pression et en supercritique.La première partie de la thèse a eu pour objectif de déterminer les conditions de fonctionnement adéquates : un dispositif expérimental microfluidique et une méthodologie associée ont été développés et validés pour obtenir les diagrammes P-T de miscibilité et les coordonnées critiques des systèmes réactionnels mis en jeu. En parallèle, le réacteur a été caractérisé en utilisant des outils numériques (CFD) appliqués à l’hydrodynamique et au transfert de masse. Les tests expérimentaux ont alors pu être menés, dans la seconde partie de la thèse, afin d’étudier l'hydrogénation du MAPD à 303 K entre 20 et 120 bar. Dans ces conditions, plusieurs paramètres ont été étudiés, tels que la PPH (vitesse spatiale horaire, ou WHSV en anglais), la pression et la fraction de solvant. Les résultats montrent un gain important de conversion du MAPD à haute pression et en conditions supercritiques par rapport aux conditions classiques (>5 fois plus). Cela peut s’expliquer par la suppression de l’interface gaz-liquide et l’amélioration des diffusivités. Les variations de sélectivité observées en parallèle montre sa dépendance au flux d’hydrogène amené. Ces résultats prometteurs permettent une meilleure discrimination des catalyseurs ainsi qu’une meilleure compréhension du système réactif. Ainsi, pour la première fois, en utilisant ces données non classiques, il a au final été possible d'estimer des paramètres cinétiques intrinsèques pour l’hydrogénation sélective des coupes C3. / The development of new catalysts for propyne and propadiene (MAPD) hydrogenation is a complex process, because it is a fast reaction performed in gas-liquid-solid. Indeed, in these conditions, the hydrogen flux (G/L and L/S) transported to the reaction sites controls the overall reaction rate, particularly at pilot scale. To avoid this limitation, the MAPD selective hydrogenation was performed in single-phase, using a single pellet string reactor (SPSR) at high-pressure and supercritical conditions. For both conditions, the literature is scarce. Thus, the first step was to develop and validate a microfluidic experimental apparatus and a methodology based on “design of experiments”, in order to obtain PT miscibility diagrams and critical coordinates. These methods combined allowed a fast PT screening compared to conventional phase behavior cells, being around 5 times higher. In parallel, the SPSR was characterized by computational fluid dynamics (CFD) for flow and mass transfer. It was shown that the hydrodynamic inside the reactor can be modeled as a plug flow reactor with low axial dispersion, and a LS mass transfer correlation was proposed. After the fluid and reactor characterization, the MAPD hydrogenation was performed at 303 K and from 20 to 120 bar. At these conditions, several parameters were tested, such as WHSV (weight hourly space velocity), pressure and solvent fraction. The results showed that high-pressure and supercritical conditions offer better reaction performance, which is due to the suppression of the gas-liquid limitation and to the diffusivity enhancements (more than 5 times faster than conventional conditions). With this thesis, it was possible, for the first time, to estimate the intrinsic kinetics parameters of a dense C3 cut mixture hydrogenation, allowing a deeper understanding of the involved mechanism. Thus, the use of unconventional conditions has opened a door to new forms of catalyst screening and new ways to study kinetics.

La problématique de la première absorption (i.e. étape d’activation) de l’intermétallique FeTi, pour le stockage de l’hydrogène est souvent un frein pour son industrialisation. Le challenge réside dans la conception d’un « nouveau matériau » dont la première étape d’hydrogénation, s’effectue dans les mêmes conditions de température et de pression modérées, que lors de l’hydrogénation réversible. Une solution est de faire appel aux performances d’un élément dopant et/ou à la technique du broyage mécanique. Dans ce manuscrit, nous proposons l’utilisation de l’hafnium comme dopant. Ce projet complète les études qui ont été effectuées sur le zirconium (e.g. le zirconium commercial contient toujours une certaine quantité d’hafnium). L’ajout d’une faible quantité d’hafnium induit la formation d’une phase secondaire, « riche » en hafnium et en fer. Grâce à la présence de cette phase, la cinétique de première absorption est considérablement améliorée, et ce, sans traitement thermique préalable. L’étape d’activation comprend un seul mécanisme lorsque la taille des particules est faible. A contrario, un second mécanisme est mis en évidence, pour des particules de taille supérieure à 0,5 mm. La mécanosynthèse a permis non seulement d’obtenir la phase principale FeTi, mais aussi de favoriser la première absorption d’hydrogène. Des paramètres d’élaboration méticuleusement optimisés ont rendu possible la conception d’un matériau « modèle », par pulvérisation cathodique magnétron, sous forme de couche mince. Ce matériau modèle pourrait servir à étudier et à comprendre la diffusion de l’hydrogène à l’interface de la matrice FeTi et du dopant Zr ou Hf. / The issue of the first hydrogenation (i.e. activation process) of the intermetallic FeTi for the storage of hydrogen is often a brake for its use in industry. The challenge lies in the design of a "new material" whose first hydrogenation is carried out under the same conditions of moderate temperature and pressure, as during reversible absorption. Efficient solutions are to use a doping element and/or mechanical alloying process. In this work, we propose to use hafnium as a dopant. This project completes the studies that have been carried out on zirconium (e.g. commercial zirconium always contains a certain amount of hafnium). The addition of a small amount of hafnium induces the formation of a secondary phase, "rich" in hafnium and iron. Thanks to the presence of this phase, the kinetics of activation process is improved, without prior heat treatment. The activation process consists of a single step, when the particle size is small. However, a second step appears, for particles bigger than 0.5 mm. The mechanical alloying allowed the formation of the main phase FeTi, and also enhanced the activation process. An accurate control of deposition conditions allow us to design a ″model″ material by magnetron sputtering as thin layers. This ″model″ material can be used to study and understand the hydrogen diffusion, at the interface of the matrix (FeTi) and the dopant (Zr or Hf).

Une des voies privilégiées pour réduire la teneur en soufre dans les essences commerciales est l'hydrodésulfuration sélective (HDS) des essences issues du procédé de FCC. Une essence étant composée d'un mélange de composés soufrés (1000 ppm) et d'oléfines (20-40%pds). Il est important de comprendre leur transformation de manière à améliorer l'HDS tout en minimisant l'hydrogénation (HYD) des oléfines. Par conséquent, la transformation de plusieurs molécules modèles soufrées (2-méthylthiophène, 3-méthylthiophène et le benzothiophène) et oléfiniques (hex-1-ène, 4-méthylpent-1-ène, 3,3-diméthylbut-1-ène et 2,3-diméthylbut-2-ène) a été étudiée dans les conditions opératoires d'HDS. Par une approche expérimentale couplée à de la modélisation cinétique, nous avons établi une échelle de réactivité entre les composés soufrés d'une part et les oléfines d'autre part. Le benzothiophène est le composé le plus réactif, mais aussi celui qui est le plus inhibiteur pour la transformation des autres composés soufrés. Concernant les oléfines, l'hex-1-ène est la plus réactive par rapport aux autres oléfines ramifiées. Lorsque ces composés sont en mélange, on constate des inhibitions mutuelles plus au moins conséquentes selon la structure des composés modèles. Ces effets qui résultent de compétitions à l'adsorption entre les molécules à la surface du catalyseur ont été modélisés et quantifiés (constantes cinétique et d'adsorption) à partir d'un modèle unique en considérant le formalisme de Langmuir-Hinshelwood. / A preferred route to reduce the sulfur content on the commercial gasoline is the selective hydrodesulfurization (HDS) process of FCC gasoline. A typical gasoline is composed by a mixture of sulfur (1000 ppm) and olefins (20-40%wt) compounds. Therefore, it is important to understand their transformation in order to improve the HDS and minimizing the olefin hydrogenation (HYD). Consequently, the transformation of various sulfur (2-methylthiophene, 3-methylthiophene and benzothiophene) and olefins (hex-1-ene, 4-methylpent-1-ene, 3,3-dimethylbut-1-ene and 2,3-dimethylbut-2-ene) has been studied under HDS operating conditions.By experimental and theoretical (kinetic modeling) approaches, a reactivity scale has been established between the sulfur compounds on one hand and olefins compounds on the other hand. The benzothiophene is the most reactive compound. However it is the most inhibitor compound for the transformation of others sulfur compounds. Regarding the olefins, the hex-1-ene is the most reactive compound among the others branched compounds. A mutual inhibition has been observed when those compounds are studied in mixture according with their structures. These effects result from competitive adsorption between the molecules on the catalyst surface. These results could be modeled and quantified (adsorption and kinetic constants) from a unique model considering the Langmuir-Hinshelwood formalism.

La préparation du caoutchouc naturel hydrogéné (HNR) par réaction avec l'hydrazine et le peroxyde d'hydrogène et le latex de caoutchouc naturel a été intéressée. L’influence de conditions de réaction, types et volume de solvants, volume du  réactionnel, la quantité d’hydrazine et de peroxyde d’hydrogène sur le degré d’hydrogénation du caoutchouc naturel a été étudiée. Le structure et  détermination du degré d’hydrogénation des caoutchoucs naturel hydrogénés a été analysée par  résonance magnétique nucléaire (RMN), transformée de fourier infrarouge (FTIR) et spectroscopie Raman. Un degré d'hydrogénation de 18 % a été obtenu à 1.0 - 2.0 du la molaire de d’hydrazine et de peroxyde d’hydrogène, température optimale de 50°C et le temps de réaction de 24h. Afin d'améliorer le degré d'hydrogénation, des solvants tels que le toluène et le hexane et l'effet de le volume du réactionnel ont été étudiée, ce qui a permis d'obtenir des degrés d’hydrogénation  élevés (proches de 65% avec le toluène). D’autre part, des mesures de tailles de particules de latex ont montré que l’hydrogénation du caoutchouc naturel n’avait pas d’effet sur latex de caoutchouc naturel. Un résultat également intéressant concerne le détermination du taux de gel. Ce gel augmente avec le degré d’hydrogénation, prouvant que des réactions de réticulation ont eu lieu. Néanmoins aucun effet de degré d’hydrogénation sur le température de transition vitreuse n’est détecté. La dureté et viscosités Mooney augmentent, en lien avec l’augmentation du taux de gel. Par ailleurs, la résistance thermique du caoutchouc naturel hydrogéné est considérablement améliorée lorsque le degré d’hydrogénation augmente. Le partie suivante est consacrée à la vulcanisation du caoutchouc. Deux types de réticulation ont été utilisés : au soufre et au peroxyde. Les élastomères HNR réticulés montrent une meilleure résistance à l’ozone et l’UV que le NR réticulé. De plus, cette résistance à l’ozone et l’UV est plus élevée pour le réticulation au soufre, comparée à le réticulation au peroxyde. Une bonne corrélation entre les images de microscopie optique et les résultats des analyses Raman est obtenue. La préparation et l’étude de mélanges HNR/PP obtenus par vulcanisation dynamique en utilisant du peroxyde et du soufre comme agents de réticulation. Un degré d’hydrogénation de 65% a été choisi, et différentes ratio HNR/PP ont été étudiés, et comparés avec des mélanges NR/PP. La morphologie des mélanges a été caractérisée par spectroscopie Raman, ce qui a permis d’obtenir des images cartographie Raman indiquant de façon précise le localisation et la distribution des phases de caoutchouc et de PP.  Une bonne corrélation entre le cartographie Raman et les images de microscopie électronique à balayage (SEM) est obtenue. Ainsi il apparaît que les particules de caoutchouc sont dispersées dans une phase continue de PP, ceci à la fois pour le HNR et le NR. L’étude des propriétés mécaniques a montré que celles-ci étaient gouvernées principalement par le phase continue de PP. / The non-catalytic hydrogenation of natural rubber latex (NRL) was carried out by using diimide generated in situ from the reaction between hydrazine (N2H4) and hydrogen peroxide (H2O2). The effects of mole ratios of [C=C]:[N2H4]:[H2O2], reaction conditions, solvent types, solvent volumes and reaction scale-up on the hydrogenation levels were investigated. Nuclear magnetic resonance (NMR), Fourier transform infrared (FTIR), and Raman spectroscopic techniques were employed to investigate the chemical structure of the hydrogenated natural rubber (HNRs) and to quantify the hydrogenationlevels. It was found that variations in moles of N2H4 and H2O2 in the range of 1.0-2.0 moles resulted in degrees of hydrogenation in the range of 10-18%. Little improvement in hydrogenation levels of HNRs was obtained when NRL particles were swollen in solvents by which toluene yielded better results than hexane. The increase in toluenevolume resulted in the increase in hydrogenation levels up to 42 %. TEM micrographs revealed that swelling mainly occurred at the surface of NRL particles, implying that hydrogenation reaction confined largely at the surface of NRL particles. After removal of toluene, particle size and particle size distribution of partially hydrogenated NRL remained unchanged. To further improve degrees of hydrogenation, the reaction volume was extended and 65% hydrogenation levels were obtained. Therefore, 14%HNR, 33%HNR, and 65%HNR were successfully prepared under suitable reaction conditions. However, crosslinking and cis-trans isomerization were side-reactions occurring during hydrogenation. Gel and trans contents increased with increasing hydrogenation levels, leading to the increase in hardness of HNRs. Mooney viscosities of HNRs increased with increasing degrees of hydrogenation due to the increased gel contents. Mooney torquerelaxation of NR and HNRs were similar. Thermogravimetric analysis revealed that vi HNRs had greater thermal stability than NR and thermal stability increased with increasing degrees of hydrogenation. HNR vulcanizates were much better resistant to ozone and UV than cured NR. Sulfur-vulcanized rubbers had greater ozone resistance than peroxide-cure rubbers due to less amounts of carbon-carbon double bonds present in rubbers. In addition, modulus at low strain and tensile strength of sulfur-cured rubbers were higher than those of peroxide-cured rubbers, but lower elongation due to higher crosslink densities. Also, modulus at low strain and tensile strength increased with increasing hydrogenation levels of HNRs, in contrast to strain at break. Thermoplastic vulcanizates (TPVs) from blends of HNR and Polypropylene (PP) were prepared via dynamic vulcanization using peroxide and sulfur as curing agents. The effects of blend ratios on mechanical properties of TPVs were investigated. Tensile strength increased with increasing PP portions, but breaking strain decreased. Morphology of TPVs was characterized with Raman mapping and scanning electron microscope (SEM). The phase sizes of crosslinked rubber obtained from both techniques were correlated well.

Les réacteurs structurés de type monolithe apparaissent comme une alternative intéressante aux réacteurs triphasiques conventionnels (à lit fixe ruisselant ou à suspension), car ils offrent dans leurs canaux millimétriques, dans une large gamme de débits, un écoulement bien défini, consistant en une succession de bulles et bouchons liquides (écoulement dit de Taylor). Celui-ci, proche de l'écoulement idéal " piston ", permet également une intensification du transfert gaz-liquide, notamment grâce à l'existence d'un film mince de liquide séparant les bulles de la paroi catalytique. Par ailleurs, les dernières technologies de fabrication additive offrent de nouvelles possibilités de réalisation de ce type de réacteur, sous la forme d'une structure métallique conductrice alternant canaux catalytiques et canaux dédiés au fluide caloporteur. Cette configuration efficace de réacteur-échangeur autorise à considérer le monolithe comme uniforme en température et à réduire sa modélisation à celle d'un canal unique isotherme. C'est la stratégie de modélisation adoptée dans ce travail de thèse, qui cherche à représenter chacun des phénomènes avec seulement le niveau de complexité nécessaire, en progressant de l'échelle locale à l'échelle du réacteur. L'outil choisi ici est le logiciel COMSOL Multiphysics pour sa capacité à traiter des problèmes multi-physiques et multi-échelles. Une approche classique pour les écoulements de Taylor est appliquée, construite autour d'une " cellule unitaire " qui se déplace à la vitesse diphasique le long du canal. Le champ hydrodynamique calculé sert alors de support au calcul du transfert de masse entre les phases. Le premier cas d'étude traité - transfert d'oxygène dans l'eau avec réaction de consommation de l'oxygène en paroi - sert à poser les bases du modèle, en examinant le bien-fondé de différentes hypothèses simplificatrices, concernant le nombre de phases modélisées, les conditions aux limites du domaine pour les équations résolues, ou encore la forme de bulle. Ce travail préliminaire a montré que la résolution de la phase liquide uniquement, autour d'une bulle de forme simplifiée, peut assurer une représentation satisfaisante des profils de vitesse dans les bouchons et dans le film de lubrification par rapport à des calculs diphasiques. Il a aussi permis d'évaluer de façon séparée les contributions au transfert gaz-liquide de chacune des zones d'interface (film, nez ou arrière de la bulle) et de quantifier l'influence sur l'efficacité du transfert de la fréquence de bullage, qui modifie à la fois l'aire interfaciale et l'intensité de recirculation dans les bouchons. La démarche est ensuite appliquée au cas de l'hydrogénation de l'alpha-pinène, et validée par une campagne d'essais réalisés pour un tube catalytique de 2 mm de diamètre et de 40 cm de longueur, fonctionnant sous 21 bar et entre 100°C et 160°C. Le modèle utilise pour la couche catalytique en paroi une loi cinétique intrinsèque, identifiée en réacteur autoclave agité (pour le même catalyseur de Pd/Al2O3, mais sous forme de poudre). Il suit par un calcul instationnaire la progression de la cellule unitaire jusqu'à la sortie du réacteur. Outre les effets des paramètres clés mis en évidence précédemment, ceux de la consommation de gaz le long du réacteur et des conditions " initiales " de saturation du liquide sont examinés. Le fonctionnement du monolithe peut être reproduit dans son intégralité à partir de ce modèle, par association de canaux recevant des débits individuels de gaz et de liquide représentatifs de la distribution des fluides observée expérimentalement, et en lui incorporant un module de mélange des fluides issus de chacun des canaux en sortie de réacteur. Ce modèle sert aussi de référence pour l'évaluation d'un outil de dimensionnement plus direct, basé sur une hydrodynamique simplifiée et des coefficients d'échange globaux évalués à partir de corrélations ou des simulations numériques dédiées. / Structured reactors of monolith type arise as an interesting alternative to conventional three-phase reactors (trickle-bed or slurry reactors), because they offer, in a wide range of flow rates, a welldefined flow structure in their millimetric channels, consisting of an intermittent series of gas bubbles and liquid slugs (i.e. Taylor flow). This flow regime, close to the ideal “plug flow” behavior, enables the improvement of gas-liquid mass transfer, thanks to the thin liquid film laying between the bubbles and the catalytic wall. Moreover, recent additive manufacturing technologies offer new possibilities for producing such a reactor, in the form of a metal heat-conducting block alternating catalytic channels and channels dedicated to the coolant. This efficient reactor/heat exchanger configuration allows the monolith to be considered as uniform in temperature and to reduce its modeling to that of a single isothermal channel. This is the modeling strategy adopted in this thesis, which aims to represent each phenomenon with the required level of complexity only, progressing from the bubble/slug scale to the reactor scale. COMSOL Multiphysics® software is selected as the numerical tool for its ability to handle multiphysics and multi-scale problems. The approach classically used for Taylor flows is applied, based upon a "unit cell" (gas bubble associated to a lubricating liquid film and two liquid half-slugs) that travels along the channel at the two-phase velocity. Solved hydrodynamics then serves as a basis for the calculation of gas-liquid mass transfer. The first study case - oxygen transfer into water with consumption at the channel wall – lays the foundations of the model, by examining the merits of various simplifying hypotheses concerning the number of phases to be considered (gas and liquid, or liquid only), the boundary conditions for the solved equations (periodicity, slip conditions at the gas-liquid interface), or the bubble shape (calculated or "simplified"). This preliminary work has shown that the simplest approach, which consists in solving the liquid phase only, as flowing around a bubble of simplified shape, can ensure a satisfactory representation of the velocity profiles in the liquid slugs and in the lubrication film, compared with two-phase flow (semi-analytical or CFD) calculations. This study also allows to evaluate separate contributions from different parts of the bubble surface (film, and front or back cap) to gas-liquid mass transfer, and to quantify the influence on transfer efficiency of bubble frequency, which affects both the interfacial area and the recirculation intensity in the slugs. The modelling approach is then applied to the hydrogenation of alpha-pinene and validated by an experimental tests carried out in a catalytic tube of 2 mm diameter and 40 cm length, operating at 20 bar and between 100°C and 160°C. The model uses an intrinsic kinetic law for the reaction occurring in the catalytic washcoat, identified in a stirred autoclave reactor (for the same Pd/Al2O3 catalyst, but in powdered form). Transient calculation follows the progression of the unit cell until the reactor exit. In addition to the effects of the key parameters previously identified, those of gas consumption along the reactor (hydrogen being here the limiting reactant) and "initial" saturation conditions of the liquid are examined. The behavior of the entire monolith can be mimicked from this model by combining, in a mixing module, the outflows of channels whose individual gas and liquid flow rates match a measured fluid distribution. This model also serves as a reference for evaluating a more direct reactor sizing tool, based on simplified hydrodynamics and overall exchange coefficients evaluated from correlations or dedicated numerical simulations.

Ce travail de thèse est consacré à la conception de métalloenzymes artificielles. Un tel concept permet de combiner les avantages des catalyseurs enzymatiques et organométalliques, tels que la sélectivité catalytique élevée et l'efficacité des systèmes enzymatiques et la large portée de substrats des catalyseurs des métaux de transition. Notre approche repose sur l’utilisation de complexes de métaux de transition avec un ligand prochiral hémilabile, qui une fois insérés dans la protéine hôte sera forcé d’adopter une configuration spécifique. La chiralité sera ainsi amenée au plus près du centre métallique et permettra d’augmenter l’énantioselectivité des réactions catalysées. Dans cette thèse, nous rapportons la synthèse de nouveaux complexes de palladium à ligands pinces NCN hémilabiles prochiraux et l’étude de leurs propriétés structurales. De plus, l’ancrage supramoléculaire de ces complexes dans la β-lactoglobuline (β-LG) bovine a été étudié expérimentalement et théoriquement par modélisation moléculaire. Ces constructions ont montré une activité catalytique dans la condensation d’aldol dans l’eau, et permettent d’obtenir, dans certains cas, le produit Cis. Cette diastéréosélectivité inhabituelle résulte de la seconde sphère de coordination apportée par l'hôte protéique. Dans une deuxième partie, on rapporte la synthèse de nouveaux complexes semi-sandwich de ruthénium avec des ligands β-aminothioéther hémilabiles, ainsi que l'étude de leur insertion dans la protéine. Les hybrides catalysent l'hydrogénation par transfert d'arylcétones avec une énantiosélectivité élevée. L'amélioration de la sélectivité a été attribuée au transfert de chiralité de la protéine vers le complexe et à son tour vers le produit de réaction. / This PhD work focused on the development of artificial metalloenzymes. Such a concept allows to combine typical advantages of both enzymatic and organometallic catalysts, such as high catalytic selectivity and efficiency of enzymatic systems and wide substrate scope of transition metals catalysts. Our approach consists in the utilization of transition metal complexes with a prochiral hemilabile ligand, once embedded within the protein host, could be forced to adopt a specific stereoconfiguration. This would in turn make possible to bring the chirality centers closer to the catalytic metal center and, therefore, to increase the enantioselectivity of catalyzed reactions.In this thesis, we report the synthesis of new palladium complexes of prochiral hemilabile NCN pincer ligands and the study of their structural properties. Furthermore, the supramolecular anchoring of these complexes to bovine β-lactoglobulin (β-LG) was studied both experimentally and theorically by computational calculation. These constructs were shown to catalyze aldol condensation reactions in aqueous media, affording, in some cases, the less-favorable cis product. This unusual diastereoselectivity was ensued by the second sphere of coordination brought by the protein host. In a second part, the synthesis of new half sandwich ruthenium complexes of prochiral hemilabile β-aminothioether ligands is reported as well as the study of their insertion in the protein. The hybrids catalyzed the transfer hydrogenation of arylketones with high enantioselectivity. The enhancement of selectivity was attributed to chirality.

DME est un carburant propre qui contribue à diminuer les émissions de gaz à effet de serre; il est aussi une molécule plate-forme pour le stockage d'énergie. L'objectif de la thèse est le développement de matériaux catalytiques bifonctionnels pour la synthèse directe de DME à partir de CO2/H2 à partir de Cu/ZnO/ZrO2 comme le catalyseur de la synthèse de méthanol à partir de CO2/H2 et Al-TUD-1 comme le catalyseur de déshydratation du méthanol en DME. Dans cette thèse, Al-TUD-1 a été étudiée comme un catalyseur de la déshydratation du méthanol en DME pour la première fois. Son activité en déshydratation du méthanol en DME augmente avec la diminution du rapport Si/Al. Les catalyseurs bifonctionnels ont été préparés par un procédé de dépôt par co-précipitation. Le SMSI a été démontré et était bénéfique pour la dispersion de cuivre métallique, la surface de cuivre métallique augmente avec le rapport Si/Al. Dans le même temps, on a observé le blocage des sites acides d'Al-TUD-1 par le cuivre. Afin d'exposer les sites acides d'Al-TUD-1, la méthode de « core-shell » a été adoptée pour préparer le catalyseur bifonctionnel. Elle aide à libérer la fonction acide en empêchant son blocage par le cuivre. Cette méthode de synthèse a été bénéfique pour la stabilité des particules de cuivre métalliques, mais des faibles conversions de CO2/H2 ont été observées en raison de l'inaccessibilité du noyau. Un autre catalyseur bifonctionnel a été préparé par une méthode de mélange physique pour comparaison. L'optimisation du catalyseur bifonctionnel Cu/ZnO/ZrO2@Al-TUD-1 pour la synthèse directe de DME à partir de CO2/H2 a permis d'éclairer les principaux paramètres affectant le contact intime de deux fonctions catalytiques: surface et dispersion du cuivre, les propriétés acide et basic, la présence d'eau et l'accessibilité des sites actifs pour les réactifs. / DME is a clean fuel that helps to diminish the emissions of green house gases; it is as well a platform molecule for the energy storage. The objective of the thesis is the development of bifunctional catalytic materials for the direct DME synthesis from CO2/H2 based on Cu/ZnO/ZrO2 as the methanol synthesis from CO2/H2 catalyst and Al-TUD-1 as the methanol dehydration to DME catalyst. In this thesis, Al-TUD-1 was investigated as the methanol dehydration to DME catalyst for the first time. The methanol dehydration to DME performance increases with the decrease of Si/Al ratio. The bifunctional catalysts were prepared by co-precipitation deposition method. The SMSI was demonstrated and was beneficial for the metallic copper dispersion, the metallic copper surface area increases with the Si/Al ratio. In the same time the blockage of acid sites of Al-TUD-1 by copper was observed. In order to expose the acid sites of Al-TUD-1, the core shell method was adopted to prepare the bifunctional catalyst. It helps to free the acid function preventing its blockage by copper. This method of synthesis was beneficial for the stability of metallic copper particles, but performed low conversions of CO2/H2 due to the inaccessibility of the core. Another bifunctional catalyst was prepared by physically mixing method for comparison. The optimization of the bifunctional Cu/ZnO/ZrO2@Al-TUD-1 catalyst for the direct DME synthesis from CO2/H2 allowed enlightening the main parameters that affect the intimate contact of two catalytic functions: copper surface area and dispersion, acid and basic properties, water presence and the accessibility of the active sites for the reactants.

La réaction d'hydrogénation des alcènes est une réaction clé dans de nombreux procédés industriels permettant la production de produits de commodité et de spécialité. D’importants efforts de recherche ont donc été réalisés pour développer des systèmes catalytiques de plus en plus productifs et sélectifs. Parmi les nombreux catalyseurs homogènes et hétérogènes développés à ce jour, les complexes organométalliques d’Iridium(I), très prometteurs, ont été préparés depuis la découverte du catalyseur de Crabtree, [Ir(COD)(py)(PCy3)]BF4, pour répondre à des problèmes de sélectivité dans l'hydrogénation asymétrique ou celle d’oléfines tétrasubstituées fortement encombrées en conditions homogènes. Cependant, l'utilisation industrielle de ce complexe organométallique d’Ir (I) est limité par sa décomposition rapide en solution, qui conduit à la formation de complexes polynucléaires (hydrures pontés d'Iridium) très stables et inactifs en catalyse. Le but de ce travail de thèse a été de développer des matériaux catalytiques contenant des complexes Ir(NHC) isolés à la surface d’une silice contenant des fonctionnalités imidazolium parfaitement distribuées le long de ses canaux poreux. L'isolement des unités Ir(I) sur le support de silice devrait permettre d’empêcher les processus bimoléculaires de désactivation et faciliter la récupération du catalyseur. La préparation des matériaux catalytiques cible se fait grâce a la transformation des unités imidazolium contenues dans le matériau de départ en carbenes d’argent N-hétérocycliques, qui sont ensuite transmétallés en carbènes d’iridium avec le complexe [Ir(COD)Cl]2. Les matériaux obtenus ont été caractérisés par diverses techniques, notamment une technique de RMN très avancée : la RMN de l’état solide utilisant la polarisation nucléaire dynamique. Ceci a permis de mieux comprendre la structure moléculaire des sites de surface iridiés. Les performances catalytiques des complexes Ir-NHC supportés ont été testées dans réaction d’hydrogénation des alcènes et comparées à celles de leurs homologues homogènes. Divers substrats oléfiniques et différentes conditions de réaction ont été testées. Les résultats montrent que le catalyseur supporté est beaucoup plus stable et 50 fois plus actif en terme de vitesse et de productivité. Cette approche a été étendue au développement de catalyseurs d’iridium supportés sur polymère. Le support choisi a été un polyéthylene téléchélique contenant des fonctionnalités iodées terminales. Le solide obtenu après incorporation de l’iridium a été caractérisé par RMN et spectrométrie de masse (MALDITOF). Les performances catalytique de ce nouveau système ont été elles aussi comparées a celles de complexes homologues en solution / Alkene hydrogenation is a key in many bulk and fine chemicals production processes. Major efforts were therefore directed towards the preparation of ever more productive and selective catalysts. Among the large number of homogeneous and heterogeneous catalysts, promising Iridium (I) organometallic complexes were prepared since the discovery of the well-known Crabtree’s catalyst, [Ir(COD)(py)(PCy3)]BF4, to address selectivity issues in homogeneous asymmetric hydrogenation or hydrogenation of highly hindered tetrasubstituted olefins. However, the industrial use of Ir organometallic complexes as catalysts is limited by their fast decomposition leading to the formation of highly stable and inactive polynuclear iridium hydridebridged complexes. The goal of this PhD project was to elaborate supported Ir(I)-NHC catalytic material to prevent such bimolecular deactivation processes. The targeted supported Ir complexes were based on hybrid organic-inorganic material containing regularly distributed imidazolium units along the pore-channels of the silica framework. Beside the Ir-site isolation on the silica support, this catalytic system was also expected to ease catalyst recovery at the end of the hydrogenation. The preparation of the final systems relies on the preparation of supported silver carbenes first, and further transmetallation with an Ir-precursor, namely [Ir(COD)Cl]2. The materials were characterized by several techniques as for example advanced solid state NMR using Dynamic Nuclear Polarization to gain insight into the molecular structure of the Ir surface sites. Catalytic performances of the supported Ir-NHC complexes were tested in alkene hydrogenation and compared to those of homogeneous homologues. Several different substrates and reaction conditions were tested. The results showed that the supported catalyst was much more stable and 50 times more active in term of rate and productivity. A polymer supported Ir-complex was also elaborated using a telechelic polyethylene iodide as support. The polymeric materials were fully characterized by NMR and MALDI-TOF experiments and their catalytic performances were compared to those of molecular analogues and those of silica supported systems

Le travail décrit dans cette thèse vise à produire des nanostructures bien ordonnées présentant une forte activité catalytique sur la base d’ensembles de nanoparticules de ruthénium et de fullerènes/fullerènes fonctionnalisés. Le Chapitre 1 présente une analyse bibliographique sur l’utilisation des fullerènes en catalyse hétérogène, en mettant en avant leurs propriétés particulières telles que la stabilité thermique, une grande capacité d'adsorption d'hydrogène et la capacité d’obtenir diverses coordinations. Le Chapitre 2 décrit la synthèse et la caractérisation de nanostructures Ru@C60 obtenues par la réaction de décomposition par au dihydrogène du complexe [Ru(COD)(COT)] en présence de C60. L'effet du solvant et des rapports de Ru/C60 utilisés durant la réaction ont été étudiés. Plusieurs caractérisations d’objets sphériques Ru@C60 et des calculs DFT nous permettent de proposer une voie pour leur formation. Le Chapitre 3 présente la préparation de nouveaux nano-assemblages obtenus à partir de [Ru(COD)(COT)] et de fullerènes fonctionnalisés en utilisant la même méthode décrite dans le chapitre 2. Tout d'abord la synthèse de fullerènes fonctionnalisés C66(COOH)12 est détaillée, puis la synthèse et la caractérisation des nanostructures Ru@C66(COOH)12 ont été étudiés. Le Chapitre 4 décrit l'utilisation de ces nanomatériaux en catalyse. Nous avons préparé trois Ru@fullerene: Ru@C60 dans du dichlorométhane, T-Ru@C60 dans le toluène et Ru@C66(COOH)12. Ensuite, l'activité catalytique et la sélectivité des catalyseurs préparés Ru@C60, T-Ru@C60 et Ru@C66(COOH)12 ont été étudiées pour l'hydrogénation du nitrobenzène et du cinnamaldéhyde. Des calculs DFT ont permis de rationaliser les résultats obtenus pour l'hydrogénation sélective de nitrobenzène sur Ru@C60. / The work described in this thesis aims to produce well-ordered nanostructures presenting high catalytic activity, on the bases of the assembly of ruthenium nanoparticles and fullerene/functionalized fullerene. Chapter 1 provides a review on the use of fullerene and fullerene-based materials in heterogeneous catalysis, emphasizing their specific properties such as thermal stability, high capacity for hydrogen adsorption and the ability of various coordination modes. Chapter 2 describes the synthesis and characterization of Ru@C60 nanostructures produced by the decomposition reaction of [Ru(COD)(COT)] in the presence of C60. The effect of the solvent and ratios of Ru/C60 on the course of the reaction have been investigated. Several characterizations of spherical Ru@C60 objects and DFT calculations allow us to propose a pathway for their formation. Chapter 3 presents new nano-assembly preparation based on [Ru(COD)(COT)] and functionalized fullerene using the same method as they are described in chapter 2. First, the synthesis of functionalized fullerene C66(COOH)12 is detailed, and then the synthesis and characterization of Ru@C66(COOH)12 is studied. Chapter 4 describes the use of these nanomaterials in catalysis. We have prepared three Ru@fullerene catalysts, which are Ru@C60 in dichloromethane, T-Ru@C60 in toluene, and Ru@C66(COOH)12. Then, the catalytic activity and selectivity of the prepared catalyst Ru@C60, T-Ru@C60 and Ru@C66(COOH)12 are studied for the hydrogenation of nitrobenzene and cinnamaldehyde. DFT calculations allow to rationalize the results obtained for the selective hydrogenation of nitrobenzene over Ru@C60.

L'objectif de ce travail était double : obtenir des informations sur le lien structure/réactivité dans les nanoalliages et évaluer l'impact de l'addition d'or sur les propriétés catalytiques de métaux actifs en hydrogénation. Des nanoparticules bimétalliques Au-Pd et Au-Rh ont été synthétisées et supportées principalement sur des nanobâtonnets TiO2 rutile, caractérisées par différentes techniques d'analyse (DLS, UV-Vis, HR-(S)TEM, XRD, XPS et CO-FTIR), et évaluées dans deux réactions d'hydrogénation. Les catalyseurs modèles ont été principalement préparés par voie colloïdale suivie d'une immobilisation sur le support et d'un post-traitement consistant à éliminer le surfactant sans détruire la structure des nanoparticules. Les particules Au-Pd (3-5 nm) possèdent une structure alliée de type solution solide. La structure des particules Au-Rh (3-5 nm), système immiscible en volume, est plus hétérogène, avec différentes configurations en fonction du post-traitement effectué : coeur-coquille, ségrégation de phases de type « Janus » et alliage à l'échelle atomique en faible proportion. Les catalyseurs bimétalliques ont été testés en hydrogénation de la tétraline en présence de soufre et en hydrogénation sélective du cinnamaldéhyde, dans les deux cas sous haute pression d'hydrogène, et comparés à leurs homologues monométalliques. En hydrogénation du cinnamaldéhyde, un effet considérable du traitement post-synthèse sur l'activité et sélectivité est mis en évidence. Les catalyseurs fraichement synthétisés montrent une sélectivité élevée en hydrocinnamaldéhyde alors que les traitements de réduction et de calcination-réduction diminuent l'activité pour les échantillons AuRh les plus riches en Rh. En hydrogénation de la tétraline, l'alliage avec l'or a pour effet de diminuer l'activité mais d'améliorer la stabilité des systèmes à base de Pd et Rh en présence de soufre, en augmentant, par effet électronique, la barrière de chimisorption du soufre ou de sulfuration / The objectives of this work were to gain an insight into the structure-selectivity relationships in nanoalloys and to evaluate the impact of gold addition on the catalytic properties of active metals in hydrogenation reactions. For this purpose, bimetallic Au-Pd and Au-Rh nanoparticles were synthesized and supported (mostly) on rutile TiO2 nanorods before being structurally characterized by various techniques (DLS, UV-Vis, HR-(S)TEM, XRD, XPS, and CO-FTIR) and evaluated in two hydrogenation reactions. The model catalysts were mainly prepared using a colloidal method and immobilized on the support. Post-treatments were carried out in order to eliminate the surfactant used during the synthesis, with minimal impact on the nanoparticle structure. The influence of the synthesis parameters on the nanoparticle structure and catalytic properties was evaluated. The Au-Pd particles (3-5 nm) exhibit an alloyed solid solution structure. The structure of the bulk-immiscible Au-Rh particles (3-5 nm) is more heterogeneous, with several structural configurations depending on the post-treatment: core-shell, Janus-type phase segregation, and atomic-scale alloyed structure to a small extent. The catalysts were tested for tetralin hydrogenation in the presence of sulfur (0-100 ppm H2S) and for the selective hydrogenation of cinnamaldehyde, both under high hydrogen pressure. The bimetallic systems were compared to their monometallic counterparts. The post-synthesis treatments have a dramatic impact on activity and selectivity in cinnamaldehyde hydrogenation. The fresh catalysts exhibit a high selectivity toward hydrocinnamaldehyde, whereas reduction and calcination-reduction mainly decrease the activity of Rh-rich Au-Rh samples. For tetralin hydrogenation, gold decreases the activity but improves the stability of Pd and Rh-based systems in the presence of sulfur through electronic effects increasing sulfur chemisorption or sulfidation barriers