Tuning the redox properties of cobalt particles supported on oxides by an In-between graphene layer

par Wen Luo

Thèse de doctorat en Chimie physique

Sous la direction de Spyridon Zafeiratos.

Le président du jury était François Le Normand.

Le jury était composé de Cuong Pham-Huu, Detre Teschner.

Les rapporteurs étaient Christian-Laurent Piccolo, Stelios Neophytides.

  • Titre traduit

    Modification des propriétés redox de particules de cobalt supportées sur des oxydes par insertion d’une couche de graphène


  • Résumé

    L'interaction métal-support (MSI) joue un rôle important dans la catalyse hétérogène. La compréhension et la modification du MSI sont des étapes essentielles pour développer catalyseurs de haute performance. Dans cette thèse, un nouveau concept, qu’il s’agit de recouvrir le support l'oxyde avec un revêtement mono-couche de graphène, a été proposé pour modifier le MSI. L'influence de la couche de graphène sur les interactions de métal (Co et Co-Pt) - oxyde (ZnO et SiO2) et sur les propriétés d'oxydo-réduction des particules métalliques ont été évaluées via des systèmes catalytiques de modèle. Les résultats ont montré que la mono-couche de graphène peut influencer considérablement les états d'oxydation et les morphologies des Co monométallique et Co-Pt bimétallique par rapport aux ceux résultent d’un dépôt direct sur les oxydes nus. En particulier, par calcination sous vide, le graphène protége Co d'être oxydé par ZnO, ce qui conduit à la formation d’un mélange métallique Co-Pt. Co interagit avec les substrats d'oxydes pour former des particules plates qui sont facilement oxydés par O2 en pression faible, tandis que l'insertion d'une couche intermédiaire de graphène entre la couche supérieure métallique et le supporte d’oxyde entraîne la formation des nanoparticules de Co en état très dispersés, qui sont résistants à l'oxydation. Sous la condition de réduction par H2, le graphène favorise clairement la réduction de Co. La quantité de dépôt de Co, le substrat d'oxyde, la température de calcination et l'environnement ont été prouvés pour pouvoir influencer la stabilité de graphène. Ces résultats ouvrent des nouvelles voies possibles d'utiliser le graphène comme promoteur dans des réactions catalytiques à l'avenir.


  • Résumé

    The metal-support interaction (MSI) plays an important role in heterogeneous catalysis. Understanding and tuning the MSI are essential steps for developing catalysts with high performance. In this thesis, a new concept, which is coating the oxide supports with a single layer graphene, was introduced to modify the MSI. The influence of graphene layer on the metal (Co and Co-Pt) – oxide (ZnO and SiO2) interactions and on the redox properties of metal particles were evaluated through model catalyst systems. The results showed that single layer graphene can significantly influence the oxidation states and morphologies of both mono Co and bimetallic Co-Pt as compared to the one after direct deposition on bare oxides. In particular, under vacuum annealing, graphene protects Co from being oxidized by ZnO and results in Co-Pt metallic mixture. Co interacts with oxide substrates forming flat particles which are easily oxidized by low pressure O2, while insertion of a graphene interlayer between the metal overlayer and the oxide supports leads to the formation of highly dispersed Co nanoparticles, which are resistant to oxidation. Under H2 reduction condition, graphene evidently facilitates the reduction of Co. The deposition amount of Co, the oxide substrate, the annealing temperature and the environment were proved to influence the stability of graphene. These results explore new directions for the possible future of using graphene as a promoter in catalytic reactions.


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