Etude In-situ de la croissance, de la structure et de la réactivité des nanoalliages de Pt-Pd

In-situ study of the growth, structure and reactivity of Pt-Pd nanoalloys

• Auteur / Autrice : Astrid De Clercq
• Direction : Suzanne Giorgio
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Nanosciences
• Date : Soutenance le 23/11/2015
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Christine Mottet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Margeat, Marie-José Casanove
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Ricolleau, Christophe Petit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléation

Microscopie électronique

Nanoparticules

Nanotechnologie

Catalyseurs métalliques

Mots clés libres

Nanoalliages

Structure cœur-Coquille

MET in situ (en milieu gazeux et liquide)

Pt-Pd

Catalyseur modèle

Synthèse colloïdale

Nanoalloys

Core-Shell structure

In situ TEM (in gas and liquid)

Model catalyst

Pt-Pd

Colloidal synthesis

Résumé

Les propriétés catalytiques des nanoparticules métalliques peuvent être améliorées par effet d’alliages. La synthèse en solution par voie colloïdale permet de préparer des nanoalliages homogènes en taille, en forme et en composition chimique, de structure ordonnée, désordonnée ou cœur-coquille. La nucléation et la croissance des nanoalliages de Pt-Pd sont étudiées ici par microscopie électronique en transmission, en condition standard, puis in situ dans une cellule liquide formée par des feuilles d’oxyde de graphène. La cinétique de croissance des nanoalliages de Pt-Pd correspond à l’incorporation directe des monomères en solution, compatible avec un processus limité par la réaction de surface, sans phénomène de coalescence, contrairement à la croissance du Pt pur. La structure théorique à l’équilibre des nanoalliages de Pt-Pd est déterminée par des simulations Monte Carlo. La structure la plus probable correspond à une surface riche en Pd et à une sous couche atomique riche en Pt, stable à des températures élevées. L’effet de l’adsorption de gaz oxydants ou réducteurs sur la forme des nanoparticules, est étudié in situ par microscopie environnementale sous pression de quelques mbar, dans un porte objet environnemental. On observe des changements de formes sous oxygène, dus au développement de facettes d’indices plus élevés. La réactivité des nanocubes de Pd@Pt est étudiée pour l’oxydation du CO en fonction du recouvrement de Pt à la surface. La réactivité maximale pour un faible recouvrement est interprétée par une baisse de l’énergie d’adsorption du CO liée au désaccord paramétrique entre le Pt et le Pd et à la modification de la structure électronique du Pt lié au Pd.

The catalytic properties of metal nanoparticles can be improved by the alloying effect. Nanoalloys homogeneous in size, shape and chemical composition can be prepared with the colloidal synthesis method, with an ordered, random or core-shell chemical structure. Nucleation and growth of colloidal Pt-Pd nanoalloys were studied by transmission electron microscopy (TEM), in standard conditions and in situ with the aid of a graphene oxide liquid cell. The growth kinetics of homogeneous Pt-Pd nanoalloys corresponds to the direct incorporation of the monomers in solution. It was compatible with a process limited by the surface reaction, without coalescence (Lifshitz-Slyozov-Wagner mechanism). On the contrary, coalescence occurs during the growth of pure Pt nanoparticles. The theoretical structure of Pt-Pd nanoalloys is determined by Monte Carlo simulations. The most stable structure corresponds to a Pd surface and Pt subsurface layer, which is stable up to high temperatures. The effect of adsorption of oxidizing or reducing gasses on the shape of pure Pd nanocubes and core-shell Pd@Pt nanocubes is studied in situ by TEM with an environmental cell. The observed changes in a few mbar of oxygen are due to the development of higher index facets. The CO oxidation reaction is used to compare the reactivity of homogeneous Pt-Pd nanoalloys and core-shell Pd@Pt nanocubes with increasing coverage of Pt at the surface. A maximal reactivity is attained for a low coverage. The effect is interpreted by a decrease in adsorption energy of CO, due to electronic effects originating from the lattice mismatch between Pt and Pd and the mixed Pt-Pd bonds.