Synthesis and Chemical and Morphological Characterization of Ruthenium-Based Nanoparticles

Le développement de sources d'énergie verte, renouvelable avec des rendements élevés, sont nécessaires comme alternatives aux combustibles fossiles. Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons et les piles à combustible à méthanol direct sont des candidats prometteurs pour les sources d'énergie fixes et portables. Cependant, l'électrocatalyseur le plus couramment utilisé, le platine (Pt), est dispendieux et la réserve mondiale est limité. En outre, la cinétique des réactions des réductions de l'oxygène et l'oxydation du méthanol sur Pt sont lentes, ce qui entraîne une perte de performance. Par conséquent, trouver un électrocatalyseur alternatif ou réduire la charge de Pt par alliage, et l'amélioration de la performance catalytique, sont d'une grande importance dans la commercialisation de technologies de piles à combustible. Parmi les différents candidats pour les catalyseurs contenant une faible concentration de Pt, les alliages bimétalliques PtRu peuvent répondre aux exigences de performance, tout en réduisant les coûts et en augmentant la durabilité. Notre but est de synthétiser ces catalyseurs en utilisant la méthode de dépôt en phase vapeur, et de réaliser in-situ et ex-situ des analyses pour déterminer en détail la structure et la chimie de la surface, où se fait la catalyse. Par conséquent, cette thèse est divisée en deux phases : d'abord, la préparation et la caractérisation de pures nanoparticules de ruthénium (Ru NPs) déposés sur graphite pyrolytique hautement orienté (HOPG). En combinant cette information avec nos informations précédemment obtenu sur le Pt [1], la deuxième phase comprend la préparation et la caractérisation des alliages de PtRu NPs déposées sur le même substrat. Les Ru NPs fonctionnent comme des catalyseurs efficaces pour des réactions spécifiques, telles que la méthanation et la synthèse de Fischer-Tropsch [2]. Dans la première phase de cette thèse, il est notre but de présenter une caractérisation physique et chimique des surfaces, par spectroscopie de photoélectrons par rayons X (XPS), sensible à la surface, et en utilisant la technique d'analyse des composantes de pics symétriques développée dans notre laboratoire, pour révéler les composants précédemment obscurcis. Les Ru NPs étaient déposés par évaporation (0,25 à 1,5 nm d'épaisseur nominale) sur HOPG.

Abstract

The development of green, renewable energy sources, with high efficiencies, is required as an alternative for fossil fuel. Both proton exchange membrane and direct methanol fuel cells are promising candidates for stationary and portable power sources. However, the most commonly used electrocatalyst, Platinum (Pt), is expensive and the world's supply is limited. In addition, both the oxygen reduction and methanol oxidation reactions kinetics on Pt are sluggish, which results in performance loss. Therefore, finding an alternative electrocatalyst or reducing the Pt loading by alloying, and improving catalytic performance, are of great importance in the commercialization of fuel cell technologies. Among various low-Pt catalyst candidates, bimetallic PtRu nanoparticles (NPs) may well meet performance requirements, along with reducing cost and increasing durability. It is our aim to synthesize such catalysts, using vapor deposition, and to carry out in-situ and ex-situ analyses to determine the surface structure and chemistry in detail, because the surface is where catalysis takes place. Hence, this thesis is divided into two phases: first, the preparation and characterization of pure Ruthenium (Ru) nanoparticles deposited onto highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). By combining this information with our previously obtained information of pure Pt [1], the second phase involves the preparation and characterization of PtRu NPs deposited onto the same substrate. Ru NPs function as effective catalysts in specific reactions, such as methanation and Fischer-Tropsch syntheses [2]. In the first phase of this thesis, it is our purpose to physicochemically characterize their surfaces, at which catalysis occurs, by surface-sensitive X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), using the symmetric peak component analysis technique developed in our laboratory, to reveal previously obscured components. Ru NPs were deposited by evaporation (0.25-1.5 nm nominal deposition range) onto HOPG. Our use of symmetric peak component XPS analysis has revealed detailed information on a previously unidentified surface oxide initially formed, as well as on the valence electronic structure and its variation with nanoparticle size, information that is of potential importance in the use of these NPs in catalysis.