Joshua SIMS soutiendra sa thèse de doctorat en chimie, réalisée sous la direction de Carine MICHEL, le 17 juillet 2025 à 14h.
Résumé de la thèse
La biomasse est un élément de réponse important pour faire face au défi des ressources limitées maintenant et dans les prochaines années. Cela a conduit, en chimie, au développement de la recherche dans les méthodes de conversion de biomasse, et en particulier dans les catalyseurs pour la biomasse. Contrairement à la catalyse dans le domaine de la pétrochimie, les réactions de conversion de biomasse se déroulent typiquement à l'interface solide-eau et non solide-gaz. Cela conduit à des défis scientifiques intéressants alors que de nouveaux catalyseurs sont développés pour pouvoir fonctionner en milieu aqueux tout en contournant les grands mécanismes de désactivation qui existent dans ces milieux. Cette thèse s'intéresse à un catalyseur clé: les nanoparticules de Ru supportés sur dioxyde de titane. En particulier elle s'intéresse à des défis clés dans la modélisation de catalyseurs à nanoparticules supportés, à savoir la prise en compte de la diversité morphologique des nanoparticules de Ru ainsi que la détermination de l'état de surface du catalyseur en présence d'eau. Parmi les résultats clés de cette thèse se trouvent des donnés sur l'influence des lacunes d'oxygène du support sur la morphologie et la stabilité des nanoparticules, l'existence de morphologies de nanoparticules proches du minimum global qui présentent des atoms de Ru sous-coordonnées et disponibles pour la catalyse ainsi que des indications de la présence de décomposition de l'eau en H + OH, indiquant l'existence de particules OH dont on s'attend à ce qu'elles jouent un rôle clé dans certains mécanismes réactionnels ainsi que dans la désactivation du catalyseur. En ce faisant, cette thèse s'attaque aux défis d'optimiser des systèmes complexes, la mise en place d'une stratégie d'optimisation globale et l'emploi de machine learning pour accélérer l'échantillonnage.
Morphology and surface state of an Ru-TiO2 catalyst: A computational approach
Biomass is a key ingredient to tackling the challenges of limited ressources, now and in the coming years. This has led to the development of the field of biomass conversion and upgrade in chemistry and in particular in catalysis. Contrary to catalysis in the petrochemical industry, biomass conversion reactions typically occur at the solid-water interface and not the solid-gas interface. This leads to new and exciting scientific challenges as new catalysts are designed that can operate in aqueous conditions while avoiding deactivation. This thesis investigates a key catalyst: Ru clusters supported over titania. In particular it addresses key challenges in the modelling of supported clusters catalysts, namely accounting for morphological diversity of Ru clusters as well as investigating the surface state of the catalyst in water. Important results include evidence that O-vacancies in the support affect the stability and morphology of supported Ru clusters, the existence of morphologies near the global minimum that feature under coordinated Ru atoms available for catalysis as well as evidence for water splitting into H + OH on the Ru clusters, indicating the existence of OH particles expected to be key players in some reaction mechanisms as well as catalyst deactivation. Along the way this thesis addresses challenges of optimising complex systems, developing a global optimisation strategy and employing machine learning to accelerate sampling.
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