Metallfluoride sind dank ihrer hohen chemischen und thermischen Stabilität, insbesondere bei Reaktionen unter Beteiligung von hoch korrosiven Gasen (HF, HCl, Cl2, F2) den entsprechenden Oxiden überlegen. Über den Sol-Gel Prozess synthetisierte Produkte weisen oft spezifische, zum Teil sehr unterschiedliche Eigenschaften im Vergleich zu klassisch hergestellten Verbindungen auf. In dieser Arbeit wurde der Sol-Gel Prozess zur Herstellung von binären Fluoriden (AlF3, MgF2, CaF2, CuF2 und FeF3) genutzt und zum Teil weiter entwickelt sowie das Synthesepotential dieser Methode als Zugang für komplexe Fluoride (KMgF3, K3AlF6), für Metallfluorid-geträgerte „nano Edelmetall-Systeme (Pd/AlF3, Pt/AlF3, Pd/CaF2, Pd/MgF2) und für Gast–Wirt–Metallfluorid-Systeme (CuF2/AlF3, FeF3/AlF3) untersucht. Die Eigenschaften der als kompakte Materialien hergestellten Metallfluorid Systeme wurden mit Hilfe spektroskopischer Methoden untersucht und dabei insbesondere deren Oberflächeneigenschaften bestimmt. Die neuen Materialien wurden für die Nutzung akademisch und industriell bedeutsamer Katalysereaktionen evaluiert und mit klassischen Katalysatoren verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass der Sol-Gel Prozess für Fluoride zu neuartigen Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften führt. Insbesondere infolge der Synthese-bedingten Vergrößerung der spezifischen Oberflächen um einen bis zu 20-fachen Faktor im Vergleich zu klassisch hergestellten Fluoriden konnten auch eine Reihe von katalytisch interessanten Metallen (Pd, Pt) in die nanoskopischen Festkörperfluoride eingebracht werden. Die TEM Aufnahmen zeigen, dass z. B. 2-5 nm große Palladiumpartikel sehr homogen in ca. 80 nm große CaF2- bzw. 20 nm große AlF3-Matrices in nur einem einzigen Reaktionsschritt eingeführt werden können. Die neuen Materialien wurden in verschiedenen katalytischen Reaktionen getestet und zeigten sich in mehreren Fällen den „Standard Katalysatoren“ überlegen. / Because of their high chemical and thermal stabilities, metal fluorides have found to be advantageous over metal oxides in such cases where reactions involving generation of corrosive acids like HCl and HF are concerned. The Sol-gel method is known for the synthesis of materials with considerably different properties to those prepared by classical routes. In this work, sol-gel route has been employed for the synthesis of binary fluorides (AlF3, MgF2, CaF2, CuF2 and FeF3), hydroxyfluorides [AlF3-x(OH)x, MgF2-x(OH)x] complex fluorides (KMgF3, K3AlF6), metal fluoride supported nanoscopic noble metals (Pd, Pt) and host-guest fluoride systems (CuF2/AlF3, FeF3/AlF3). Besides the successful synthesis of metal fluorides described above, the present thesis deals with investigation of their bulk and surface properties using various analytical and spectroscopic methods (XRD, BET, NH3-TPD FTIR-pyridine adsorption, XPS, microscopic studies) as well as with their catalytic properties for the reactions of academic and industrial interest. Metal fluorides prepared via sol-gel method have shown to possess extraordinary surface properties in terms of surface area, particle size, porosity, Lewis acidity and distortion in their structures as compared to those of classical methods like aqueous synthesis or impregnations. A homogeneous dispersion of Pd nanoparticles supported on high surface area metal fluoride prepared by this method was confirmed by XRD, XPS and TEM imaging. Catalytic properties of these materials have been investigated for dehydrofluorination of hydrofluorocarbons, isomerization of citronellal, hydrodehalogenation of chlorodifluoromethane, Suzuki cross coupling and oxidative fluorination of benzene.

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Ce travail se concentre sur le développement de systèmes catalytiques capable d’oxyder complètement le méthane à basse température. Le sujet principal concerne la conception d'une nouvelle génération de catalyseurs à base de palladium qui sont résistants aux composés soufrés et à l'eau.<p>Notre objectif a été atteint grâce à l'utilisation d'un support oxyde mixte produit par sol-gel. En effet, nos catalyseurs de palladium supporté sur un oxyde de silicium dopé au titane se sont révélés être résistants à l’empoisonnement au soufre et présentent des performances élevées pour la conversion du méthane.<p>En variant les quantités de TiO2, il a été montré que les performances atteignent un maximum pour une composition en masse de 10% TiO2. Les analyses structurelles et de surface ont montré que nos supports mixtes contiennent des liens Ti-O-Si. Nous pensons que ces liens sont responsables de l’activité accrue du catalyseur.<p>Par ailleurs, les catalyseurs contenant du titane présentent une tolérance supérieure vis-à-vis du SO2 lorsque celui-ci est ajouté aux réactifs ou que le catalyseur est exposé à une atmosphère de SO2 pur à 350°C pendant 15 heures. Nous avons mis en évidence par XPS que les sites Ti-O-Si sont également responsables de cette tolérance aux composés soufrés. Ceci est accompli par l'insertion du SO2 dans le support qui forme des liens soit Ti-O-SOx•••Si soit Si-O-SOx•••Ti. L’analyse XPS a également montré que sur le long terme, l’exposition au SO2 conduit à la formation d’une couche de PdSO4 de 18 à 20 Å. Étonnamment, les catalyseurs sont capables de récupérer entièrement leur activité initiale après ce traitement. Cette régénération se produit grâce à un mécanisme concerté avec le méthane permettant la décomposition totale du PdSO4. Par ailleurs, des études en présence d'eau ont montré que ces propriétés restent inchangées.<p>L'état du palladium a également été étudié et nous a permis de prouver qu’une activation/stabilisation du catalyseur est nécessaire. Celle-ci est réalisée en présence des réactifs par de légères modifications chimiques du support et de la phase de palladium. En effet, l'augmentation de l'activité du catalyseur a été corrélée avec une augmentation des quantités de Ti3+ et Pd0. La présence de palladium métallique dans le catalyseur semble être l'élément clé dans l'activation des liaisons C-H.<p>Enfin, nous avons étudié l'influence de la taille/la dispersion des particules de palladium sur la vitesse de réaction. L'utilisation de synthèses en phase liquide nous a permis de produire des solutions colloïdales de particules de palladium avec des tailles contrôlées. Cette étude a révélé que la combustion du méthane est une réaction sensible à la structure. Néanmoins, un meilleur contrôle de la forme des nanoparticules devrait être réalisé pour déterminer les facteurs structurels influençant la réaction./ The present work focuses on the development of highly efficient catalytic systems able to completely oxidize methane at low temperature in order to comply with modern environmental legislation. The main subject concerns the design of a new generation of palladium-based catalysts that are sulfur and water resistant. <p>Our goal was achieved through the use of a mixed oxide support produced by sol-gel. In fact, palladium-supported on titanium-doped silica catalysts have proven to be sulfur tolerant and exhibit high performances for the methane conversion. <p>Varying the amounts of TiO2 showed that the performance reached an optimum for a 10 wt.% TiO2 loading. According to the structural and surface analyses, the mixed oxides contained Ti-O-Si linkages, believed to be responsible for the better activity as compared to PdO supported on pure oxides. <p>Moreover, the titania-containing catalysts exhibited a superior tolerance towards SO2 when either adding it to the reactants or feeding it as a pure pretreatment atmosphere at 350°C (15 hour on stream). We evidenced using XPS that the Ti-O-Si sites are also responsible for the higher sulfur tolerance of the catalysts by the insertion of SO2 in the support forming either Ti-O-SOx•••Si or Si-O-SOx•••Ti. XPS analyses also evidenced that the long-term SO2-treatment leads to the formation of PdSO4 with a thickness of 18 to 20 Å. However, the catalysts can entirely recover their initial activity after this treatment. This regeneration was proven to be occurring through a concerted mechanism with methane leading to the total decomposition of PdSO4. Moreover, studies in presence of water showed that these properties remained unchanged.<p>The state of the palladium was also investigated and allowed us to evidence that an activation/stabilization of the catalyst is necessary. This is achieved in presence of the reactants by slight and subtle changes in both the support and the palladium phase. The increase of the catalyst activity was correlated with an increase of Ti3+ and Pd0 fractions. The presence of metallic palladium in the catalyst seems to be the key element in the activation of the C-H bonds. <p>Finally, we have studied the influence of the size/dispersion of the palladium particles on the reaction rate. The use of wet-chemistry synthesis allowed us to produce colloidal solutions of palladium with controlled particles sizes. This study revealed that the methane combustion is a structure sensitive or demanding reaction. Nevertheless, a better control of the shape of the nanoparticles should be achieved to determine the structural factor influencing the reaction.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished