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Thèse Année : 2019

In situ investigations of chemical reactions on ZnO-Pt model nanocatalysts for environmentally friendly energy generation sources

Etudes in situ des réactions chimiques sur des nanocatalyseurs de modèle ZnO-Pt pour des sources de production d'énergie respectueuses de l'environnement

Résumé

The ZnO/Pt(111) catalyst has been shown to exhibit remarkable catalytic performances in the low temperature CO oxidation. The identification of the active sites in CO oxidation is important for a mechanistic understanding of the structure-reactivity relationship. We first established a recipe to fabricate ZnO thin films on Pt(111) using e-beam evaporation, characterized by STM and LEED. The film grows in layer-by-layer mode, starting from a graphene-like monolayer tothe ZnO(0001)-Zn terminated surface. The role of the ZnO/Pt boundaries was revealed by STM ex situ after exposure to the O2: CO mixture. To shedlight on the role of the boundaries, a systematic comparative study of the ZnO/Pt(111) catalyst with the Pt(111) surface was under taken. The mass spectroscopy and gas phase NAP-XPS analysis were relevant, to determine the regimes where mass transfer limitation starts to occur, allowing a discussion on the relation between steady-state molar fractions of reactants/product and surface reactivity, and to calibrate the surface density of the adsorbates.Solid phase XPS spectra gave us access to the dynamics of the ZnO monolayer film covering only partially the Pt(111) surface. The role of ZnO-bound hydroxyls was highlighted by the observation of the chemical signature of the CO+OH associative reaction products. The carboxyl formed at the low temperature can be the intermediate species that leads to the evolution of CO2, the OHs at the Pt/ZnO boundary being the co-catalyst, which explains the synergistic effect of ZnO and Pt.
Il a été démontré que le catalyseur ZnO/Pt(111) présente des performances catalytiques remarquables dans l'oxydation du CO à basse température. L'identification des sites actifs dans l'oxydation du CO est importante pour une compréhension mécaniste de la relation structure-réactivité. Nous avons d'abord établi une recette pour fabriquer des films minces de ZnO sur Pt(111) par évaporation par faisceau électronique, caractérisée par STM et LEED. Le film se développe en mode couche par couche, à parti rd'une monocouche de type grapheme jusqu'à la surface ZnO(0001)-Zn terminée. Le rôle des limites ZnO/Pt a été révélé par la STM ex situ après exposition à l'O2:CO. Pour mettre en lumière le rôle des limites, une étude comparative systématique du catalyseur ZnO/Pt(111) avec la surface Pt(111) a été entreprise. La spectroscopie de masse et l'analyse NAP-XPS en phase gazeuse étaient pertinentes pour déterminer les régimes dans lesquels la limitation du transfert de masse commence à se produire, ce qui a permis de discuter de la relation entre les fractions molaires à l'état stable des réactifs/produit et la réactivité de surface, et pour étalonner la densité de surface des adsorbats. Les spectres XPS en phase solide nous ont donné accès à la dynamique du film monocouche ZnO ne couvrant que partiellement la surface Pt(111). Le rôle des hydroxyls liés au ZnO a été mis en évidence par l'observation de la signature chimique des produits de réaction associative CO+OH. Le carboxyle formé à basse temperature peut être l'espèce intermédiaire qui conduit à l'évolution du CO2, les OHs à la limite Pt/ZnO étant le co-catalyseur, ce qui explique l'effet synergique du ZnO et du Pt.
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  • HAL Id : tel-03139871 , version 1

Citer

Hang Liu. In situ investigations of chemical reactions on ZnO-Pt model nanocatalysts for environmentally friendly energy generation sources. Catalysis. Sorbonne Université; Northwestern Polytechnical University (Chine), 2019. English. ⟨NNT : 2019SORUS201⟩. ⟨tel-03139871⟩
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