L’équipe Spectrocat a étudié la catalyse assistée par des plasmas non thermiques. Ce domaine est relativement nouveau au cours des dernières décennies. L’équipe a contribué à la compréhension des interactions entre les plasmas froids et les catalyseurs hétérogènes. Elle a observé les espèces générées à la surface du catalyseur grâce à la spectroscopie IR. Ces observations ont eu lieu en mode in situ et operando pendant les réactions assistées par plasma. Plusieurs cellules plasma IR, fonctionnant sous vide partiel, ont été conçues. L’équipe a aussi développé la première cellule plasma IR-DBD capable de fonctionner sous pression atmosphérique. L’optimisation des réacteurs chimiques assistés par plasma a utilisé différents types de plasmas (décharge luminescente, décharge à barrière diélectrique, etc.). L’équipe a également préparé plusieurs catalyseurs efficaces pour les réactions de valorisation du CO2. Ces travaux ont permis la production de produits chimiques de valeur.

Développement d’outils spectroscopiques et de méthodologies in situ et operando pour comprendre à l’échelle moléculaire le fonctionnement d’un matériau/catalyseur et déterminer les mécanismes réactionnels mis en jeu. Les processus étudiés concernent le post-traitement des émissions gazeuses de sources mobiles (pot catalytique) ou stationnaires (rejet d’usine), l’amélioration de la qualité de l’air, l’adsorption, la séparation et la diffusion de molécules. Les principaux axes de développement d’outils IR sont :
1) se rapprocher des conditions physiques réelles d’utilisation des matériaux (température, pression, mécanique des fluides, …),
2) se rapprocher du catalyseur mis en forme (de la poudre au monolithe),
3) augmenter la sensibilité des analyses pour obtenir le maximum d’informations qualitatives et quantitatives sur le mécanisme (couplage multi-techniques, échange isotopique, résolutions temporelles et spatiales, réaction transitoire, cellules multi-échantillons, automatisation, ...) et
4) développer les thématiques de recherche vers de nouveaux domaines (photo-catalyse, plasma, micro-onde, bombardement ionique, catalyse solide/liquide, ...).

Je suis chargée de recherche au sein de l’équipe Spectrocat, où mes travaux se concentrent sur la caractérisation des oxydes métalliques et des nanomatériaux par spectroscopie infrarouge (IR) in situ et operando. Mon objectif principal est de comprendre, à l’échelle moléculaire, le comportement de ces matériaux et d’élucider les mécanismes réactionnels impliqués. Mes recherches ont notamment porté sur le post-traitement des émissions gazeuses, qu’il s’agisse de sources mobiles, comme les pièges à NOx pour les pots catalytiques, ou de sources stationnaires, telles que la dégradation des composés organiques volatils (COV). Ces études visent à contribuer à l’amélioration de la qualité de l’air.

Du fait de ses complémentarités avec la spectroscopie infrarouge, la spectroscopie Raman trouve naturellement sa place au LCS. Les études menées au laboratoire visent ainsi à une caractérisation approfondie par spectroscopie Raman des matériaux, catalyseurs et adsorbants, de nature très diverses, tels que les oxydes et oxydes lamellaires, les MOFs ou les zéolithes. Notre approche consiste à développer les méthodologies de caractérisation à la fois dans les conditions ambiantes et en conditions de fonctionnement (operando), éventuellement par couplages avec d’autres spectroscopies. Dans ces divers aspects, les mesures quantitatives sont souvent privilégiées. Au-delà de l’étude des réactions en phase gaz, nos travaux portent aussi sur le développement des mesures Raman en conditions plus sévères, à haute température, sous pression ou en phase liquide, avec des applications plus spécifiques pour la séparation, le stockage ou la conversion de molécules environnementales telles que le CO2.

Mes activités de recherche portent principalement sur l’étude de mécanismes catalytiques en vue du design de nouveaux catalyseurs. Elle se développent principalement dans les secteurs de la protection de l’environnement (élimination de polluants gazeux), de la production de vecteurs énergétiques (hydrogène par reformage, WGS, photocatalyse ; méthanol ; acide formique ; ammoniac ; …) et du captage et hydrogénation du CO2 (adsorption ; méthanation, méthanolisation, syngas, …). La compréhension du site catalytique et de son agencement au sein de solides (oxydes ou poreux) sont au centre de mes investigations, raison pour laquelle je privilégie l’approche operando et son développement (analyses résolues en temps, dont sur des matériaux mis en forme).

La possibilité de contrôler les propriétés de la matière à l’échelle moléculaire a conduit à des innovations révolutionnaires. Ces avancées façonnent notre monde moderne. Les techniques spectroscopiques conventionnelles fournissent des informations précieuses sur les matériaux. Cependant, les spectroscopies résolues en temps (RT) sont essentielles pour étudier des processus se produisant sur des échelles allant de la ms à la fs. Notre principal objectif de recherche est d’étudier les processus photophysiques et chimiques en photocatalyse. Nous utilisons pour cela des approches spectroscopiques complémentaires, telles que les spectroscopies in situ, operando et RT (IR, photoluminescence, absorption transitoire). Les informations sur la durée de vie des états excités, les transferts d’énergie et les intermédiaires réactionnels sont cruciales. Elles nous aident à concevoir de nouveaux photocatalyseurs et matériaux photoactifs pour catalyser efficacement la conversion de la lumière en énergie chimique.

Mes domaines de recherche sont focalisés majoritairement sur l’étude de matériaux par RMN, couplée aux études cristallographiques et calculs DFT. Je m’intéresse également au développement de méthodologies au laboratoire, notamment liés à la spectroscopie RMN. Travaillant principalement sur l’étude structurale et architecturale de catalyseurs poreux de type zéolite, mon activité se focalise également sur des matériaux de types divers pour des domaines d’application variés (conducteurs anioniques, matériaux à changement de phase à base de cellulose). Les noyaux étudiés peuvent être classiques (ex : ¹H, ¹³C, ²⁹Si, ²⁷Al) ou plus spécifiques, exotiques ou complexes (ex : ¹⁷O, ⁷¹Ga, ¹²⁹Xe). Les expériences sont mises en place en fonction de la question structurale posée, et l’instrumentation adaptée en fonction du système étudié (sondes CP/MAS classiques, ¹²⁹Xe hyperpolarisé, RMN à gradient de champ pulsé, ou accès au réseau TGIR pour les hauts champs ou la DNP).

Nos recherches se situent dans le contexte du développement durable et sont orientées vers la production d’hydrogène, la valorisation de la biomasse pour la production de carburants et de produits chimiques et la valorisation d’huiles usagées. La connaissance des phénomènes aux interfaces est un élément essentiel pour augmenter les performances des catalyseurs et des adsorbants. Ainsi, à partir de nos compétences en spectroscopie infrarouge in situ et operando en continuelle développement, nous cherchons à établir des relations structure-activité pour déterminer la nature des sites actifs et les mécanismes réactionnels et établir les bases d’un design rationnel des catalyseurs et des adsorbants.

Mon activité de recherche se concentre sur la catalyse hétérogène, principalement pour l’oxydation et la catalyse en présence de soufre. Je me focalise sur l’identification des sites actifs des catalyseurs et des critères qui expliquent les activités mesurées et les phénomènes de désactivation. J’ai développé une méthodologie d’adsorption de CO suivie par spectroscopie IR pour spécifier précisément les sites actifs des catalyseurs sulfures, en distinguant les sites de bords M et S des feuillets. Cette approche, associée à la microscopie en champ sombre pour caractériser la morphologie des feuillets sulfures, a permis d’établir des relations structure-activité en hydrodésulfuration. Mes travaux actuels se concentrent sur les catalyseurs sulfures pour la production d’H2, via la réaction de Water Gas Shift ou l’électrocatalyse de l’eau. Ces recherches s’appuient sur des résultats précédents et sur des développements méthodologiques, tels que l’IR operando et la caractérisation des sulfures sur des supports non oxydes.

Les sites de réaction chimique ou d’adsorption sur les surfaces solides sont essentiels pour comprendre le fonctionnement de notre environnement et améliorer les procédés industriels. Sur des solides modèles comme les zéolithes ou les silices, la spectroscopie infrarouge permet une étude détaillée de ces phénomènes en utilisant des molécules sondes.

La spectroscopie in situ ou operando peut être utilisée de manière innovante pour fournir de nouvelles informations sur la chimie de surface des solides. L’énergie apportée au système chimique peut être délivrée par des impulsions brèves ou très bien contrôlées. Cela permet d’accéder à des échelles de temps pertinentes pour les événements moléculaires (ms, µs, ou ns). Les micro-ondes, plasmas ou lasers permettent de contrôler les réactions observées par spectroscopie. Ces techniques aident à décrire les étapes élémentaires des réactions chimiques à la surface des catalyseurs.

La valorisation de la biomasse pour la production de carburants et de produits chimiques est en très fort développement.  La plupart des procédés sont réalisés en milieu liquide et mettent en jeu un solide comme catalyseur ou adsorbant. Ainsi la connaissance et le contrôle des phénomènes aux interfaces solide-liquide sont indispensables pour augmenter les performances des catalyseurs hétérogènes ou des adsorbants. Fort nos compétences analytiques en spectroscopie infrarouge et Raman et de notre expérience en purification catalytique et/ou adsorptive de liquides provenant de sources fossiles ou de biomasse, nous développons des techniques infrarouges (ATR solide-liquide…) appropriées à l’étude de ces phénomènes chimiques.

Arnaud Travert est professeur à l’université de Caen en Normandie. Ses recherches portent sur les propriétés de surface des oxydes métalliques et des zéolithes. Il utilise la spectroscopie IR de molécules sondes adsorbées, la spectroscopie IR operando et des méthodes de chimiométrie et d’apprentissage automatique. Il développe des méthodes multivariées pour analyser les spectres IR in situ ou operando. Ces méthodes permettent d’évaluer quantitativement les paramètres thermocinétiques clés des processus catalytiques. Parmi ces paramètres, on trouve les vitesses de diffusion interne, les paramètres thermodynamiques d’adsorption et les constantes de vitesse de réaction de surface. Arnaud Travert applique ces techniques à des processus comme le craquage, la transformation des bio-alcools, la capture du CO2 et l’hydrogénation.

Dans notre laboratoire de catalyse, mes recherches portent sur l’étude des matériaux poreux et leur utilisation en catalyse. Je m’intéresse particulièrement à l’utilisation de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du solide pour approfondir la compréhension de leur structure et de leur comportement catalytique. La RMN du solide fournit des informations sur la structure et la dynamique des matériaux poreux (noyaux tels que 29Si, 27Al, 1H, 17O). Elle permet aussi d’étudier les interactions entre les molécules adsorbées et les sites actifs du catalyseur grâce à des techniques in situ et operando. De plus, la RMN du xénon-129 hyperpolarisé offre une grande sensibilité et une meilleure résolution. Cette technique permet d’obtenir des informations précises sur la taille des pores, la connectivité des canaux et la distribution des sites d’adsorption. Ces données sont cruciales pour des applications en catalyse et pour la séparation des gaz.

Développement de méthodes d’évaluation qualitatives et quantitatives des groupements hydroxyles et des sites acides de zéolithes, de Metal-Organic-Frameworks (MOFs) et d’oxydes métalliques par spectroscopie infrarouge in situ couplée ou non à l’analyse thermogravimétrique.
Détermination par Spectroscopie Infrarouge In situ & Operando de paramètres cinétiques et thermodynamiques durant l’adsorption de molécules hydrocarbonées dans des matériaux microporeux.