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Thèse Année : 2023

Thermal and environmental effects on Pt-based hollow nanospheres catalysts : insights from in-situ and operando TEM

Effets thermiques et environnementaux sur les catalyseurs de nanosphères creuses à base de Pt : Aperçus de la microscopie électronique à transmission in situ et Operando

Josephine Rezkallah
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1364256
  • IdRef : 276424727

Résumé

Heterogeneous catalysis plays a crucial role in enhancing the efficiency, sustainability and cost-effectiveness of chemical reactions. The use of metal nanoparticles in heterogeneous catalysis boosts catalytic efficiency due to their high surface-to-volume ratio, tunable electronic properties and high catalytic activity. Noble metal-based catalysts, including Platinum (Pt), are widely recognized for their high effectiveness and selectivity in a broad range of industrial reactions.The main focus of this thesis is the investigation of synthesized Pt-based hollow nanospheres, which exhibit unique catalytic properties. This is due to their increased surface-to-volume ratio, reduced material density and economic efficiency. The transmission electron microscopy (TEM) is used for these materials’ characterization due to its high resolution and adaptability to nanomaterials. Using electron tomography, channels within the shell complex 3D morphology are identified and quantified. This makes a significant contribution to the development of nanoreactors and offers exciting possibilities for enhanced catalytic properties.Hollow nanospheres used as nanocatalysts are prone to deactivate due to several processes including sintering/collapsing, surface poisoning and coking. This research helps understand these transformations, using the CO2 hydrogenation reaction as a model. It uses in-situ and operando TEM methodology to monitor the Pt-based hollow nanospheres in real-time within an Environmental Cell (E-cell). It examines the sintering of nanoparticles in the nanospheres shell and the temperature-induced collapse of their hollow microstructure. This work explores how temperature and the gas nature influence the morphological changes in Pt-based nanospheres and the mechanisms behind these changes. It also identifies the CO2 hydrogenation reaction products and aids determining the reaction pathway. This research identifies the specific temperatures at which the morphological changes occur under different environments (vacuum, H2 gas and CO2-H2 gas mixture). The most reactive environment (H2) leads to early collapse of such complex system as compared to inert atmospheres. The findings of this research have laid the foundation of a novel catalysts design.
La catalyse hétérogène joue un rôle crucial dans l'amélioration de l'efficacité, de la durabilité et de la rentabilité des réactions chimiques. L'utilisation de nanoparticules métalliques dans la catalyse hétérogène renforce l'efficacité catalytique en raison de leur rapport surface/volume élevé, de leurs propriétés électroniques modulables et de leur activité catalytique élevée. Les catalyseurs à base de métaux nobles, dont le platine (Pt), sont largement reconnus pour leur grande efficacité et leur sélectivité dans un large éventail de réactions industrielles.Le but principal de cette thèse est l'étude de nanosphères creuses à base de Pt synthétisées, qui présentent des propriétés catalytiques uniques. Cela est dû à leur rapport surface/volume augmenté, à leur densité de matière réduite et à leur efficacité économique. La microscopie électronique en transmission (MET) est utilisée pour la caractérisation de ces matériaux en raison de sa haute résolution et de son adaptabilité aux nanomatériaux. En utilisant la tomographie électronique, des canaux au sein de la morphologie tridimensionnelle complexe de la coquille sont identifiés et quantifiés. Cela contribue de manière significative au développement de nanoréacteurs et offre des perspectives passionnantes pour améliorer leurs propriétés catalytiques.Les nanosphères creuses utilisées comme nanocatalyseurs sont sujettes à la désactivation en raison de plusieurs processus, notamment le frittage/effondrement, l'empoisonnement de surface et la cokéfaction. Cette recherche aide à comprendre ces transformations en utilisant la réaction d'hydrogénation du CO2 comme modèle. Elle utilise une méthodologie MET in situ et opérando pour surveiller en temps réel les nanosphères creuses à base de Pt au sein d'une cellule environnementale (E-cell). Elle examine le frittage des nanoparticules dans la coquille des nanosphères et l'effondrement de leur microstructure creuse induit par la température. Ce travail explore comment la température et la nature du gaz influencent les changements morphologiques des nanosphères à base de Pt et les mécanismes à l'origine de ces changements. Elle identifie également les produits de la réaction d'hydrogénation du CO2 et contribue à déterminer la voie de la réaction. Cette recherche identifie les températures spécifiques auxquelles les changements morphologiques se produisent dans différents environnements (vide, gaz H2 et mélange de gaz CO2-H2). L'environnement le plus réactif (H2) entraîne un effondrement précoce de ce système complexe par rapport aux atmosphères inertes. Ces découvertes ont jeté les bases d'une nouvelle conception de catalyseurs.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04506556 , version 1 (15-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04506556 , version 1

Citer

Josephine Rezkallah. Thermal and environmental effects on Pt-based hollow nanospheres catalysts : insights from in-situ and operando TEM. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Normandie Université, 2023. English. ⟨NNT : 2023NORMR105⟩. ⟨tel-04506556⟩
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