Controlled synthesis and characterization of ru-fullerene nanostructures and their catalyticapllications

par Faqiang Leng

Thèse de doctorat en Chimie Organométallique et de Coordination

Sous la direction de Philippe Serp et de Maria Rosa Axet Marti.

Soutenue le 06-10-2016

à Toulouse, INPT , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse) (laboratoire) .

Le président du jury était Bruno Chaudret.

Le jury était composé de Jean-Cyrille Hierso, Sophie Hermans, Carmen Claver.

Les rapporteurs étaient Jean-Cyrille Hierso, Sophie Hermans.

  • Titre traduit

    Synthèse contrôlée et caractérisation de nanostructures Ru-fullerène et leurs applications en catalyse


  • Résumé

    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.


  • Résumé

    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.


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