In situ study of the evolution of NiFe nanocatalysts in reductive and oxidative environments upon thermal treatments

François Robert, Pierre Lecante, Jean-Sébastien Girardon, Robert Wojcieszak, Éric Marceau, Valérie Briois, Catherine Amiens and Karine Philippot

Faraday Discuss., 2023,242, 353-373

https://doi.org/10.1039/D2FD00095D

La conversion de la biomasse en tant que voie durable pour accéder à des produits chimiques et des carburants de valeur est très attrayante pour l’industrie chimique, mais les conversions catalytiques reposent encore souvent sur l’utilisation de métaux nobles. Les contraintes de durabilité imposent de développer des catalyseurs alternatifs à partir de métaux abondants et peu coûteux. Dans ce contexte, les nanoparticules de NiFe sont des candidats intéressants. Sous leur forme réduite et supportée, ils ont été signalés comme étant plus actifs et sélectifs que le Ni monométallique dans l’hydrogénation des fonctions polaires des molécules organiques, et les deux métaux sont très abondants. Cependant, contrairement aux métaux nobles, Ni et Fe sont facilement oxydés dans des conditions ambiantes, et la compréhension de leur transformation dans les atmosphères oxydantes et réductrices est une question importante bien que rarement étudiée avant leur application en catalyse. Trois types de nanoparticules de NiFe ont été préparés par une approche organométallique pour assurer la formation de nanoparticules ultra petites (<3,5 nm) avec une distribution de taille étroite, une composition et un ordre chimique contrôlés, tout en travaillant dans des conditions douces : Ni2Fe1 et Ni1Fe1, tous deux riches en Ni noyau et surface riche en Fe, et un alliage de composition Ni1Fe9. Les systèmes supportés ont été obtenus par imprégnation de silice avec une solution colloïdale des nanoparticules préformées. Utilisant des techniques de caractérisation avancées, telles que la diffusion des rayons X aux grands angles (WAXS) et la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) en conditions in situ, cette étude rend compte de l’évolution de l’ordre chimique et de l’état d’oxydation des métaux lors d’exposition à l’air, à l’hydrogène et/ou à l’augmentation de la température, autant de facteurs pouvant affecter leur degré de réduction et leurs performances ultérieures en catalyse. Nous montrons que si l’oxydation se produit facilement lors de l’exposition à l’air, les métaux peuvent revenir à leur état initial lors du chauffage en présence de H2 mais avec un changement de structure et d’ordre chimique.

Contributeurs :

• CNRS, LCC (Laboratoire de Chimie de Coordination), 205 route de Narbonne, BP 44099, F- 31077 Toulouse Cedex 4, France. E-mail: catherine.amiens@lcc-toulouse.fr
• Université de Toulouse, UPS, INPT, F-31077 Toulouse Cedex 4, France
• CNRS, CEMES (Centre d’Elaboration des Matériaux et d’Etudes Structurales), 29 Rue Jeanne Marvig, BP 4347, F-31055 Toulouse Cedex 4, France
• Univ. Lille, CNRS, Centrale Lille, Univ. Artois, UMR 8181 – UCCS – Unité de Catalyse et Chimie du Solide, F-59000 Lille, France
• Synchrotron SOLEIL, CNRS-UR1, L’Orme des Merisiers, BP48, Saint-Aubin, F-91192 Gif-sur Yvette, France

Financements :

• Agence Nationale de la Recherche, Projet ANR “NobleFreeCat”, ANR- 17-CE07-0022-01 https://noblefreecat.univ-lille.fr/en/,
• Région Occitanie (ALDOCT 000355)
• CNRS,
• Université de Toulouse Paul-Sabatier,
• SOLEIL synchrotron (project no. 20200224).