Élaboration de nanoparticules coeur@coquille magnétiques pour la catalyse de la scission oxydante des acides gras insaturés

• Main Author: Gandon, Arnaud
• Other Authors: Trong-On, Do
• Format: Doctoral Thesis
• Language: French
• Published: Université Laval 2021
• Subjects: Nanoparticules magnétiques.; Catalyseurs.; Scission (Chimie); Acides gras insaturés.
• Online Access: http://hdl.handle.net/20.500.11794/67887

La raréfaction des ressources pétrolières exacerbe la demande de nouveaux produits issus de sources durables, tels que les huiles issues des plantes. Afin de pouvoir intégrer les acides gras insaturés présents dans ces produits biosourcés dans l’industrie pétrochimique, une réaction clivante revêt un grand intérêt. Cette thèse présente des voies de synthèse pour des nanocatalyseurs magnétiques, actifs pour la scission oxydante des acides gras insaturés, et notamment l’acide oléique. Les nanocatalyseurs magnétiques constituent une nouvelle catégorie de catalyseurs hétérogènes dont les propriétés catalytiques permettent d’avoisiner les performances des catalyseurs homogènes. Cependant, leur nature solide couplée à leur propriété magnétique permet facilement leur récupération, et donc leur réutilisation, au contraire des catalyseurs homogènes. Ainsi, un nano catalyseur magnétique est un type de catalyseur prometteur s’inscrivant dès lors dans une démarche de chimie verte. Cette thèse présente, en plus de deux chapitres non expérimentaux, des méthodes de synthèse pour la conception in fine de nanocatalyseurs de type cœur@coquille, permettant d’exhiber des propriétés magnétiques grâce à un cœur constitué d’oxyde de fer et d’une coquille composée en partie de la phase active qu’est le catalyseur. Ainsi, les articles présentés incluent, dans le troisième chapitre, une méthode de synthèse de nanoparticules d’oxyde de fer, la magnétite Fe3O4, ayant une très grande reproductibilité et une très faible dispersité en taille. Ces nanoparticules serviront de cœur pour la conception des nanocatalyseurs au cœur magnétique. Dans un quatrième chapitre, une nouvelle voie de synthèse de nanoparticules cœur@coquille magnétiques ayant de l’oxyde de molybdène à la surface est présentée. L’oxyde de molybdène est reconnu pour ses propriétés catalytiques pour la scission oxydante des acides gras insaturés. Finalement, dans un cinquième chapitre, une seconde voie de synthèse est présentée pour l’élaboration d’un nanocatalyseur cœur@double coquille, entièrement inorganique. Cette nanoparticule est composée d’un cœur de magnétite, le plus magnétique des oxydes de fer, d’une première coquille de silice et finalement d’une coquille d’oxyde de tungstène. En plus de présenter les étapes de synthèse détaillées et les mécanismes associés, cet article a évalué les propriétés catalytiques de cette nanoparticule de Fe3O4@[e-mail]’employé sur l’acide oléique, et comparé à d’autres catalyseurs à base de tungstène, ce nanocatalyseur exhibe une activité catalytique proche du catalyseur homogène (soit l’acide pertungstique) et bien au-delà des catalyseurs hétérogènes, qu’ils soient à l’échelle macroscopique (oxyde de tungstène brut), ou à l’échelle nanoscopique avec des nanoparticules supportées. De plus, sa récupérabilité et sa réutilisabilité permettent de qualifier cette nanoparticule de nanocatalyseur. Cette méthode fiable et robuste pourrait être mise en œuvre sur d’autres oxydes métalliques pouvant être utilisés comme catalyseurs, tels que le molybdène. Elle permettrait ainsi d’ouvrir une nouvelle voie de synthèse de catalyseurs verts que sont les nanocatalyseurs magnétiques de type cœur@coquille. En effet, la silice étant facilement fonctionnalisable, cette méthode offre de multiples possibilités en termes d’applications. === The scarcity of the fossil resources exacerbates the need for new products, based on sustainable resources such as the vegetable oils. To integrate the unsaturated fatty acids of these biobased products to the petrochemical industry, a bond cleavage is required. This thesis provides new synthesis routes for magnetic nanocatalysts, effective for the oxidative cleavage of fatty acids, in particular oleic acid. The magnetic nanocatalysts are a new type of heterogenous catalysts with catalytic properties close to the performances of the homogeneous catalysts. As a solid material exhibiting magnetic properties, they are easy to recover from reaction media and thus to reuse, contrary to the homogeneous catalysts. Thus, a magnetic nanocatalyst is a promising catalyst in green chemistry. This thesis introduces, in addition two theoretical chapters on the above mentioned concepts, various methods of synthesis to in fine conceive a core@shell nanocatalyst. The latter intend to exhibit a magnetic core of iron oxide and a shell containing the active phase of the catalyst. Thus, the articles included in this thesis contribute to achieving this purpose. The first article provides a method for the synthesis of iron oxide nanoparticles, the magnetite Fe3O4, with a high reproducibility and a low dispersity in size. These nanoparticles will be further used as the core in the design of nanocatalysts with a magnetic core. The second article provides a new synthesis route for the synthesis of magnetic core@shell nanoparticles with molybdenum oxide at the external surface. Molybdenum oxide is a known catalyst for the oxidative cleavage of unsaturated fatty acids. Finally, a new method for the design of a nanocatalyst core@dual shell fully inorganic, is presented. This nanoparticle is composed of a magnetic core of magnetite, the more magnetic phase of iron oxide, a first shell of silica and then a shell of tungsten oxide. Not only the detailed step-by-step synthesis route is provided, but the catalytic activity of this Fe3O4@SiO2@WO3 nanoparticle is also assessed. When applied and compared to other tungsten-based catalysts for the oxidative cleavage of oleic acid, this nanocatalyst exhibits a catalytic activity similar to the homogeneous catalyst (i.e. pertungstic acid) and far above that of existing heterogeneous catalysts. The latter were either a macroscopic catalyst (i.e. bulk tungsten oxide) or nanoscopic catalysts with tungsten oxide nanoparticles and supported nanoparticles. In addition, the easy recovery of this material and its reusability allow qualifying this nanoparticle as a nanocatalyst. This reliable and robust method could be implemented on other catalytic active metal oxides such as molybdenum. This method is a new synthesis path for green catalysts as magnetic core@shell nanocatalysts. Indeed, as the silica is an easy functionable support, this method could be easily implemented and open new catalytic possibilities.