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Auto-assemblage de nanoparticules d’or par des nœuds de type fullerènes pour la catalyse hétérogène – FULOR

Auto-assemblage de nanoparticules d’or par des nœuds de type fullerènes pour la catalyse hétérogène

Ce projet a pour but de développer une nouvelle génération de catalyseurs nanostructurés par auto-assemblage et auto-organisation de nanoparticules par des ligands organiques.

Enjeux et objectifs

La catalyse tient une place importante dans la mise au point de procédés propres, plus sécurisés et plus respectueux de l’environnement pour un coût compétitif et l’industrie chimique cherche systématiquement à remplacer les réactions stœchiométriques par des réactions catalytiques présentant une bonne activité et sélectivité. La catalyse hétérogène a montré un fort potentiel ces dix dernières années avec la découverte de nouveaux catalyseurs faciles à régénérer. Aujourd’hui les nanoparticules et particulièrement celles à base d’or, sont considérées comme les matériaux les plus prometteurs de part leur rapport surface/volume élevé et le nombre important de sites catalytiquement actifs. Toutefois le problème principal associé avec les catalyseurs à base de nanoparticules est leur dispersion. Lorsque les particules forment une solution colloïdale, elles présentent une bonne activité catalytique mais sont difficiles à régénérer. En revanche quand ces particules sont déposées sur un support, elles sont faciles à récupérer mais l’accès à la surface est réduit par le support et en général son effet n’est pas négligeable. Pour palier ces problèmes de dispersion, ce projet a pour but de développer une nouvelle génération de catalyseurs nanostructurés par auto-assemblage et auto-organisation de nanoparticules par des ligands organiques. Le développement de ce genre de matériaux hybrides multifonctionnels permettra non seulement de disperser les particules dans un réseau 3D avec un arrangement spécifique mais aussi d’apporter une porosité interparticules et une densité de surface de sites catalytiquement actifs importante. La création d’un réseau 3D poreux sera propice aux phénomènes catalytiques avec une bonne diffusion des espèces. Ce projet emploie l’approche auto-assemblage moléculaire pour contrôler la structure et les fonctionnalités de l’édifice en utilisant un ligand approprié et en contrôlant le nombre d’atomes constituant les nanoparticules.

Le point clé pour créer de la porosité est d’avoir un rapport de taille ligand/particule important. Pour atteindre ce but, la partie organique est constituée de fullerènes utilisés comme nœud tridimensionnel. La partie inorganique met en jeu des clusters d’or atomiquement définis, de formule Aun(SR)m avec n le nombre d’atomes d’or et m de ligands thiolés, et des compositions variant entre (n,m) = (10,10) à (333,79), c’est-à-dire de diamètres de clusters de 0.8 à 2.2 nm. Deux générations de fullerènes fonctionnalisés ont été ciblées afin d’avoir des diamètres variant entre 3 et 7 nm. Le premier système est une famille de fullerènes fonctionnalisés par 12 chaines terminées par des groupements soufrés. Pour créer des liaisons fortes ou faibles entre les nanoparticules et les ligands, l’assemblage avec ces fullerènes se fait par réaction directe avec HAuCl4 ou par réaction d’échange ou d’insertion à partir de Aun(SC2H4Ph)m. Enfin des fullerènes fonctionnalisés par des groupes alcynes ou carboxylates permettront un assemblage avec des clusters d’or fonctionnalisés Aun(SC2H4Ph)m où X = fonctions azotures ou amines, par réactions de couplages click ou peptidique. Enfin l’activité catalytique de ces nouveaux matériaux hybrides poreux sera testée sur des réactions d’oxydation aérobie d’alcènes ou d’alcools ou de couplage C-C. Ce projet représente une stratégie innovante pour le développement de nouveaux matériaux nanostructurés avec des propriétés catalytiques prometteuses.

Nous avons synthétisé un nouveau adduit fullerène avec 12 fonctions thiocyanates externes. Par une réaction en une étape avec cette molécule à fonctions thiocyanates, HAuCL4 et LiBH4, nous avons formé des réseaux 3D de nanoparticules d'or de moins de 3 nm. Par différentes techniques d'analyse nous avons montré que les nanoparticules d'or sont homogènes en taille, qu'elles sont connectées entre elles par les fullerènes et une liaison forte Au-S.

L'association de très petites particules avec des molécules carbonées en font des matériaux hybrides à haut potentiel pour la catalyse avec une possible synergie entre les deux parties. La sélection d'une molécule organique 3D appropriée avec des fonctions externes adéquates et des conditions de synthèse maitrisées permettront bientôt de former des réseaux tridimensionnels de très petites nanoparticules organisées.

G. Rousseau, C. Lavenn, L. Cardenas, S. Loridant, Y. Wang, U. Hahn, J.-F. Nierengarten, A. Demessence*, Chem. Commun., 2015, 51, 6730-6733. One-pot synthesis of sub-3 nm gold nanoparticle networks connected by thio-based multidentate fullerene adducts.

La catalyse tient une place importante dans la mise au point de procédés propres, plus sécurisés et plus respectueux de l’environnement pour un coût compétitif et l’industrie chimique cherche systématiquement à remplacer les réactions stœchiométriques par des réactions catalytiques présentant une bonne activité et sélectivité. La catalyse hétérogène à montrer un fort potentiel ces dix dernières années avec la découverte de nouveaux catalyseurs facile à régénérer. Aujourd’hui les nanoparticules et particulièrement celles à base d’or, sont considérées comme les matériaux les plus prometteurs de part leur rapport surface/volume élevé et le nombre important de sites catalytiquement actifs. Toutefois le problème principal associé avec les catalyseurs à base de nanoparticules est leur dispersion. Lorsque les particules forment une solution colloïdale, elles présentent une bonne activité catalytique mais sont difficiles à régénérer. En revanche quand ces particules sont déposées sur un support, elles sont faciles à récupérer mais l’accès à la surface est réduit par le support et en général son effet n’est pas négligeable. Pour palier ces problèmes de dispersion, ce projet à pour but de développer une nouvelle génération de catalyseurs nanostructurés par auto-assemblage et auto-organisation de nanoparticules par des ligands organiques. Le développement de ce genre de matériaux hybrides multifonctionnels permettra non seulement de disperser les particules dans un réseau 3D avec un arrangement spécifique mais aussi d’apporter une porosité interparticules et une densité de surface de sites catalytiquement actifs importante. La création d’un réseau 3D poreux sera propice aux phénomènes catalytiques avec une bonne diffusion des espèces et une sélectivité dépendante de la géométrie des pores. Ce projet emploiera l’approche auto-assemblage moléculaire pour contrôler la structure et les fonctionnalités de l’édifice en utilisant un ligand approprié et en contrôlant le nombre d’atomes constituant les nanoparticules. En effet le point clé pour créer de la porosité est d’avoir un rapport de taille ligand/particule important. Pour atteindre ce but, la partie organique sera constituée de fullerènes utilisés comme nœud tridimensionnel. La partie inorganique mettra en jeu des clusters d’or atomiquement définis, de formule Aun(SR)m avec n le nombre d’atomes d’or et m de ligands thiolés, et des compositions variant entre (n,m) = (10,10) à (333,79), c’est-à-dire de diamètres de clusters de 0.8 à 2.2 nm. Trois générations de fullerènes fonctionnalisés ont été ciblées afin d’avoir des diamètres variant entre 3 et 7 nm. Le premier système est une famille de fullerènes fonctionnalisés par 12 chaines terminées par des groupements soufrés. La seconde génération est constituée de fullerènes à fonctions dendritiques terminées par des groupements ammoniums, ces bras volumineux permettront de générer des structures flexibles. Pour créer des liaisons fortes ou faibles entre les nanoparticules et les ligands, l’assemblage avec ces fullerènes se fera par réaction directe avec HAuCl4 ou par réaction d’échange ou d’insertion à partir de Aun(SC2H4Ph)m. Enfin des fullerènes à 6 bras en géométrie octaédrique seront fonctionnalisés par des groupes alcynes ou carboxylates afin d’effectuer un assemblage avec des clusters d’or fonctionnalisés Aun(SC2H4Ph)m où X = fonctions azotures ou amines, par réactions de couplages click ou peptidique. Enfin l’activité catalytique de ces nouveaux matériaux hybrides poreux sera testée sur des réactions d’oxydation aérobie d’alcènes ou d’alcools ou de couplage C-C. Ce projet représente une stratégie innovante pour le développement de nouveaux matériaux nanostructurés avec des propriétés catalytiques prometteuses.

Coordination du projet

Aude DEMESSENCE (Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IRCELYON - CNRS Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon

Aide de l'ANR 180 000 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2013 - 42 Mois

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