Synthèse de nanotubes de carbonne dopés à l'azote et leur application catalytique

Synthesis of nitrogen doped carbon nanotubes and their application in catalysis

• Auteur / Autrice : Anas Benyounes
• Direction : Philippe Serp, Mohamed El Kacimi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Organométallique et de Coordination
• Date : Soutenance le 24/03/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec UNIV. MOHAMMED V
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie de Coordination (Toulouse ; 1974-....)
• Jury : Président / Présidente : Ali Boukhari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Serp, Mohamed El Kacimi, Ali Boukhari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fernando Manuel Tavares Pereira, Mohamed Baalala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyse

Oxydation

Mots clés libres

Catalyse

Nanotubes de carbonne dopés à l'azote

Oxydation

Alcool

Paladium

Catalysis

Nitrogen doped carbon nanotubes

Oxidation

Alcohol

Palladium

Résumé

L'objectif de ce travail est la synthèse et l'étude des propriétés acido-basiques de nanotubes de carbone (CNT) dopés à l’azote pour les utiliser comme catalyseurs ou supports de catalyseurs. Pour ce faire, trois types de nanotubes de carbone dopés à l'azote ont été synthétisés, caractérisés et testés dans la conversion de l'alcool isopropylique. Les nanotubes de carbone dopés diffèrent par le taux d’azote et la présence ou non d'une section non dopée dans leur structure. Pour les matériaux à faible teneur en azote, la réaction conduit à la formation d'acétone indiquant la présence de sites basiques. À plus forte teneur en azote, les catalyseurs dopés conduisent à la formation d'acétone et de propène, mettant en évidence la présence de sites basiques et acides. La caractérisation par XPS nous a permis de proposer que les sites basiques sont constitués de groupes de surface pyridiniques et les sites acides sont des groupements sulfoniques formés au cours de la purification de ces matériaux avec de l'acide sulfurique. Des catalyseurs au ruthénium et au palladium supportés (2%) sur des nanotubes de carbone non dopés et dopés à l'azote (N-CNT), ont été préparés et évalués dans la réaction de décomposition de l'alcool isopropylique comme réaction test. La présence de fonctionnalités azotées (azote pyridinique, pyrrolique et quaternaire) sur le support dopé à l'azote induit une plus grande dispersion du métal. En ce qui concerne les catalyseurs supportés, ceux de palladium étaient plus actifs et plus sélectifs que ceux au ruthénium. De plus, les catalyseurs au Pd sont sélectifs en acétone, tandis que les catalyseurs au Ru conduisent à la déshydratation et la déshydrogénation. Le dopage des nanotubes de carbone par l’azote conduit aussi à l'apparition de propriétés d'oxydo-réduction. Enfin, nous avons montré que des nanotubes de carbone, constitués de deux sections différentes : une partie non dopée hydrophobe reliée à un segment hydrophile, sont amphiphiles. Nous les avons utilisés comme supports tensioactif de catalyseur au palladium. Ces nouveaux catalyseurs à base de Pd supporté ont été testés dans la réaction d'oxydation de plusieurs alcools en utilisant l'oxygène moléculaire en phase liquide. L'oxydation du 2- heptanol produit sélectivement la cétone correspondante, alors que l'oxydation de l'alcool benzylique est très sélective vis-à-vis de l'aldéhyde. Par ailleurs, l'oxydation de l'éthanol produit de l'acide acétique de manière sélective.

The objective of this work is the synthesis and the investigation of the acid and basicproperties of nitrogen doped carbon nanotubes (CNTs) able to be used as catalysts or catalystsupports. For this, three types of purified nitrogen doped CNTs were synthesized,characterized and tested for isopropyl alcohol conversion under nitrogen or air atmosphere,and compared to undoped CNTs. The N-doped CNTs differ from their nitrogen content andfrom the presence or not of undoped section in their structure. The reaction lead to theformation of acetone as the sole product on catalysts presenting no nitrogen or low nitrogencontent (< 2.8% w/w), pointing to the presence of basic sites. At higher nitrogen content, Ndopedcatalysts lead to the formation of acetone and propene, highlighting the presence ofboth basic and acids sites on such material. XPS characterization allow us to propose that thebasic sites consist in pyridinic surface groups and the acidic sites in sulfonic surface groupsformed during the purification of these material with sulfuric acid. Ruthenium and palladiumsupported catalysts (2% w/w) were prepared on nitrogen-doped and non-doped carbonnanotubes (N-CNT), and evaluated for the reaction of decomposition of isopropyl alcohol asprobe reaction. The presence of nitrogen functionalities (pyridinic, pyrrolic and quaternarynitrogen) on the nitrogen doped support induces a higher metal dispersion: 1.8 nm (Pd/NCNT)< 4.9 nm (Pd/CNT), and 2.4 nm (Ru/N-CNT) < 3.0 nm (Ru/CNT). As far as thesupported catalysts are concerned, the palladium ones were more active and more selectivethan the ruthenium ones. The Pd catalysts were selective towards acetone, whereas Rucatalysts lead to dehydration and dehydrogenation products. The nitrogen doping induces theappearance of redox properties, which appear when oxygen is present in the reaction mixture.Finally, we have shown that unique amphiphilic magnetic hybrid carbon nanotubes thatcontain on the same nanotube two different sections: a hydrophobic undoped part connectedto a hydrophilic N-doped segment are synthesized and used as tensioactive supports forpalladium catalysts. These new Pd-supported catalysts have been used in the alcoholoxidation reaction using molecular oxygen in the liquid phase. The oxidation of 2-heptanolproduces selectively the ketone, the oxidation of benzyl alcohol is very selective towards thealdehyde, and ethanol oxidation produces selectively acetic acid.