Les multicouches de polyélectrolytes, systèmes auto-assemblés par adsorptions successives de polycations et polyanions, peinent à trouver des applications concrètes en raison de leur fragilité mécanique et du temps nécessaire à leur assemblage. Pour améliorer leur tenue mécanique, nous avons développé une méthode d'assemblage couche-par-couche par liaisons covalentes de films polymères. Des films formés de polymères portant des groupements alcynes et azides ont ainsi été réticulés par une réaction click catalysée par les ions Cu+ obtenus par voie électrochimique. Pour améliorer le mode d'assemblage, l'auto-construction en une seule étape de films par approche morphogénique, a été développée. Cette approche, confinée à la surface et caractérisée par la présence en solution de l'ensemble des constituants, marque une rupture. Elle permet ainsi un contrôle spatial de l'assemblage des films et la combinaison de plusieurs modes d'interactions pendant leur assemblage. Des films dont la cohésion repose sur des interactions covalentes, hôtes-invités et supramoléculaires, ont ainsi été assemblés. L'introduction de nanoparticules métalliques dans les films (multicouches et auto-construits) a également été effectuée dans le but de développer des électrodes de grande surface spécifique. / Polyelectrolyte multilayer films, built by alternated adsorption of polycations and polyanions, face two main challenges: their construction process is tedious and their mechanical stability is poor. We developped a layer-by-layer strategy to improve the film stability by covalent reticulation of the polymers chains by click chemistry. Polymers bearing alkyne and azide functions were reticulated by triggering electrochemically the production of Cu+ catalyst ions. A one pot morphogen driven self-construction strategy was also developped to improve the buildup process of the films.In this case, all the constituants are simultaneously present in solution while the film grows up only at the electrode. Films based on covalent, host-guest and supramolecular interactions were obtained and the possibility of combining different interactions was also demonstrated. Nanoparticles were also included in layer-by-layer and self-constructed films in order to improve the electrode specific area.

Les batteries lithium-ion sont présentement d’excellentes candidates pour le stockage électrochimique d’énergie du futur. Cela dit, les batteries lithium-métal pourraient présenter des propriétés électrochimiques encore plus avantageuses. Cependant, ces types de batteries présentent encore des inconvénients, notamment au niveau de leur sécurité. Un des responsables majeurs de ceux-ci est l’électrolyte liquide organique. Parmi les différentes voies exploitables pour améliorer la sécurité de ces technologies, les électrolytes solides polymères (SPE) sont largement étudiés. Classiquement, ces systèmes sont mis en forme en présence de solvants qui sont ensuite évaporés. Aussi, lorsque le processus d’évaporation de solvants est terminé, les échantillons sont habituellement réexposés à l’air ambient. Or, d’une part, malgré le séchage important d’un échantillon, il se peut qu’il reste du solvant de mise en forme résiduelle. D’autre part, l’eau atmosphérique peut s’infiltrer au sein de celui-ci. Cependant, ce ne sont pas des facteurs qui sont considérés dans la recherche présente dans le domaine. Bien que l’influence des solvants résiduels est parfois mentionnée, elle n’est jamais quantifiée de façon convenable, et cela reste un facteur mal compris et souvent omis. Dans cette étude, des échantillons de différents types de SPE ont été préparés selon des conditions standards, leur teneur en solvants résiduels a été contrôlée et analysée par différentes méthodes développées au cours de cette recherche. Pour la quantification de l’eau, un analyseur d’humidité spécifique a été utilisé, et il a été montré que l’eau résiduelle permet d’augmenter les conductivités ioniques des échantillons. Pour la quantification des solvants résiduels organiques, une méthode analytique employant la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse a été développée. Il a été observé que comme avec l’eau, les solvants résiduels augmentent la conductivité ionique des échantillons étudiés. Cette étude doit montrer aux chercheurs dans le domaine que le contrôle des solvants résiduels est un facteur primordial dans le développement des SPEs, et que c’est un paramètre qui doit être systématiquement évalué. / Lithium-ion batteries are today’s candidates for future long-term electrochemical storage of renewable energies. That said, lithium-metal batteries could offer even more appealing electrochemical properties. However, both types of batteries still suffer from certain technical difficulties such as safety. One of the culprits for their reduced safety is the use of an organic liquid electrolyte. Indeed, the latter is flammable and poses a risk, as numerous battery fire accidents have shown throughout the past years. Luckily, scientific research has been able to propose safer alternatives to liquid electrolytes applicable to lithium batteries by replacing the former by solid state electrolytes. Amongst these systems, solid polymer electrolytes (SPE) can be considered as a promising possibility to eliminating the safety issues. Conventionally, SPEs are prepared in a solvent that is evaporated at the end of the manufacturing. Additionally, atmospheric humidity can infiltrate these materials and alter their properties. However, residual solvent content is seldom mentioned, and even when it is, the specific experimental parameters are lacking which makes it a misunderstood and regularly omitted factor in battery performance evaluation. In this study, residual solvents are quantified in different SPE systems that are prepared according to standard and non-standard procedures. To do so, certain samples have had their solvent content artificially modified in order to control and analyse it. Firstly, water content is assessed using a specific moisture analyser. Secondly, an analytical method employing gas chromatography coupled to mass spectrometry has been developed to determine the residual SPE processing solvent. It has been concluded that, similarly to water, residual solvents also contribute to enhancing ionic conductivities of SPEs. Hopefully, this study will shed light on the importance of controlling residual solvent content in SPEs, and the necessity of systematically assessing that parameter.

Les travaux de la thèse portent sur l’impact de la structure des électrolytes hautement concentrés (ÉHC) à base de Lithium Bis[trifluorométhane(sulfonyl)]imide (LITFSI) et d’acétonitrile (ACN) dans les réactions de transfert d’électron et les interactions présentes avec les différentes espèces en jeu. Ces électrolytes sont étudiés comme électrolyte dans les dispositifs de stockage d’énergie (batteries, supercapaciteurs), mais la recherche sur les transferts d’électron dans ces ÉHC est presque inexistante. Les travaux sont présentés en deux volets; dans le premier, nous nous sommes concentrés à assurer de la qualité des ÉHC. Nous avons identifié les principales sources d’eau dans ces électrolytes : la présence d’eau varie selon le fournisseur de sel et le taux d’adsorption d’eau de l’électrolyte. Nous avons aussi analysé les impacts de la quantité d’eau sur les propriétés physicochimiques et la fenêtre de stabilité électrochimique. Une teneur d’eau dans les ÉHC sous 1000 ppm n’affecte pas les propriétés physicochimiques. Cependant, la fenêtre de stabilité électrochimique est affectée par une faible présence d’eau (>200 ppm), particulièrement la stabilité en réduction. Le second volet porte sur l’étude du transfert d’électron du couple Fc+/Fc dissout et adsorbé à l’électrode dans les ÉHC LiTFSI : ACN. Nous avons montré que la cinétique du transfert d’électron varie avec la concentration (dilué vs. hautement concentré) et avec l’état d’oxydation du couple rédox (Fc+ vs Fc). La constante de transfert d’électron est plus élevée avec le Fc+ que le Fc dans les milieux dilués, mais la situation est inversée dans les ÉHC. En complément à l’électrochimie, les études Raman couplées à l’électrochimie ont révélé que cette différence provient de l’environnement chimique qui diffère entre les deux espèces, dues à la charge des deux espèces (Fc+ vs. Fc) aux différentes concentrations de sel. Les travaux de cette thèse sont les premiers à montrer l’électrochimie d’une molécule électroactive couplée avec l’utilisation de méthode spectroscopique pour le couple Fc+/Fc dans les ÉHC. Cette recherche ouvre la porte à l’utilisation de ces méthodes d’analyse pour les ÉHC et montre un grand potentiel pour des applications autre que le stockage d’énergie. Les résultats obtenus sont un premier pas vers la formulation d’ÉHC adaptés aux applications d’électrocatalyse : l’utilisation des interactions électrostatiques présentes à haute concentration pourraient ralentir les réaction secondaires formant des cations ou ralentir la diffusion de cations impliqués dans les réactions de transfert d’électron couplées. / The work of this thesis focuses on the impact of the structure of highly concentrated electrolytes (HCE) based on Lithium Bis[trifluoromethane(sulfonyl)]imide (LITFSI) and acetonitrile (ACN) on the electron transfer reactions and the interactions present with the different species involved. These electrolytes are studied as electrolytes in energy storage devices (batteries, supercapacitors), but research on electron transfers in these HCE is almost non-existent. The work is presented in two parts; in the first part, we focused on ensuring the quality of HCE. We identified the main sources of water in these electrolytes: the presence of water varies depending on the salt supplier and the water adsorption rate of the electrolyte. We also analyzed the impacts of the amount of water on the physicochemical properties and the electrochemical stability window. A water content in HCE below 1000 ppm does not affect the physicochemical properties. However, the electrochemical stability window is affected by low water content (>200 ppm), especially the reduction stability. The second part deals with the study of the electron transfer of the dissolved and adsorbed Fc+/Fc couple at the electrode in LiTFSI: ACN HCE. We have shown that the electron transfer kinetics varies with concentration (dilute vs. highly concentrated) and with the oxidation state of the redox couple (Fc+ vs. Fc). The electron transfer constant is higher with Fc+ than Fc in dilute media, but the situation is reversed in HCE. In addition to electrochemistry, Raman studies coupled with electrochemistry revealed that this difference in electron transfer comes from the chemical environment which differs between the two species, due to the charge of the two species (Fc+ vs. Fc) at different salt concentrations. The work of this thesis is the first to show the electrochemistry of an electroactive molecule coupled with the use of spectroscopic methods for the Fc+/Fc couple in HCE. This research opens the door to the use of these analytical methods for HCE and shows a great potential for applications other than energy storage. The results obtained are a first step towards the formulation of HCE adapted to electrocatalysis applications: the use of electrostatic interactions present at high concentration could slow down the secondary reactions forming cations or slow down the diffusion of cations involved in coupled electron transfer reactions.

Une percée majeure aura lieu dans le domaine de la santé lorsque les patients pourront surveiller les molécules indicatives de leurs conditions médicales dans le confort de leur salon. L’efficacité d’une telle stratégie a déjà été validée par des millions de patients diabétiques via l’utilisation du glucomètre. Toutefois, des technologies de détection similaires restent à être développées pour améliorer le traitement de d’autres maladies chroniques. Les capteurs électrochimiques à base d’ADN (capteurs eDNA) ont récemment attiré beaucoup d’attention grâce à leur capacité à détecter plusieurs marqueurs moléculaires dans le sang tout en utilisant un dispositif bon marché et facile d’utilisation. Dans ce type de capteurs, l’ADN est typiquement employé comme élément de reconnaissance ou pour concevoir le mécanisme de signalisation permettant de capturer des cibles moléculaires spécifiques et traduire cet événement de liaison en un signal électrochimique. Des défis particuliers, toutefois, limitent toujours la commercialisation des capteurs eDNA. Par exemple, la plupart de ces capteurs produisent encore d’importantes variations non spécifiques du courant électrique lorsque plongés dans un échantillon de sang. De plus, ces capteurs demeurent sensibles au processus de fabrication et au vieillissement, et nécessitent des modifications chimiques complexes et un long processus d’optimisation pour leur mise au point. L’objectif principal de ma thèse consiste à régler ces limitations via le développement de nouveaux mécanismes de signalisation plus performants. Dans le chapitre 2, nous introduisons un nouveau type de capteurs eDNA basé sur l’hybridation d’ADN que nous avons nommé « essaie d’hybridation électrochimique par encombrement stérique et inhibition rédox (eSHRI) ». Ce mécanisme de signalisation potentiellement universel intègre trois niveaux d’encombrement stérique et un nouveau mécanisme d’inhibition rédox par contact. Nous avons démontré que le eSHRI peut détecter et quantifier de faibles concentrations (nanomolaire) de protéines dans une goutte de sang en moins de 3 min via une diminution de signal électrique allant jusqu’à -93.6 ± 1.36 % du signal initial. De plus, l’essai d’hybridation eSHRI demeure essentiellement indépendant de la densité du brin de capture à la surface de l’électrode et donc insensible aux variations lors de la fabrication et du vieillissement du capteur. Malgré ses caractéristiques impressionnantes, le eSHRI requiert généralement des modifications chimiques complexes pour attacher l’élément de reconnaissance et l’élément rédox à la même extrémité du brin d’ADN. Ainsi, dans le chapitre 3, nous avons développé un nouveau mécanisme de signalisation potentiellement universel, l’essaie de barrière moléculaire, qui nécessite uniquement une modification par brin d’ADN. Dans cet essai, l’élément de reconnaissance et l’élément rédox sont respectivement conjugués à l’ADN de capture (surface de l’électrode) et l’ADN de signalisation (libre en solution). L’essai fonctionne via la formation d’une barrière moléculaire utilisant l’analyte à détecter, une protéine. Lorsque cette dernière se lie à la surface du capteur, cela réduit l’efficacité d’hybridation entre l’ADN de signalisation et l’ADN de capture. En utilisant ce nouveau capteur, nous avons démontré la détection de deux protéines, la streptavidine et un anticorps, directement dans une goutte de sang. Ces dernières années, les anticorps à base d’ADN, nommés aptamères, ont considérablement augmenté notre capacité à détecter des analytes cliniquement pertinents. Toutefois, les capteurs eDNA à base d’aptamères nécessitent un long processus de développement et d’optimisation, et demeurent très dépendants de la densité de surface tout en présentant d’importantes variations de signal lorsqu'ils sont déployés dans le sang. Dans le chapitre 4, nous introduisons un essai simple, hautement modulable et universel qui emploie une chimie dynamique constitutionnelle (CDC) cinétiquement programmée. Cet essai fonctionne en programmant la cinétique de trois réactions concurrentes permettant la détection moléculaire directement dans une goutte de sang. Nous avons démontré que cet essai est potentiellement universel en détectant quantitativement quatre marqueurs moléculaires : la quinine, l’ATP, la thrombine et la PDGF. Nous avons également démontré le potentiel de ce nouveau capteur en exécutant un suivi direct de la quinine dans le sang de souris vivantes. En sommes, nous croyons que ces nouveaux mécanismes de signalisation permettent de résoudre les principales limitations des capteurs eDNA actuels et présentent toutes les caractéristiques pour être développés en dispositifs commercialisables analogues aux glucomètres. / A breakthrough will occur in the healthcare system when patients are allowed to monitor blood molecules indicative of their condition in the comfort of their home. Such an objective has already been realized for diabetic patients through the development of the glucometer. Similar sensors urgently need to be developed to improve the monitoring and treatment of other chronic conditions. Electrochemical DNA-based sensors (eDNA sensors) have recently attracted increasing attention due to their ability to detect multiple blood markers using low-cost and easy-to-use devices. In eDNA sensors, DNA is typically employed either as a recognition element or to design a signaling mechanism that captures specific target molecules and transduces this binding event into an electrochemical signal. Specific challenges, however, limit the commercialization process of eDNA sensors. For example, most eDNA sensors exhibit strong baseline drift when employed in blood, remain sensitive to fabrication processes and aging, and require complex chemical modification and time-consuming optimization processes. The main objective of my Ph.D. project was to solve these limitations through the development of novel improved signaling mechanisms. Chapter 2 introduces a novel hybridization-based eDNA sensing architecture called electrochemical steric hindrance and redox inhibition (eSHRI) hybridization assay. This potentially universal signaling mechanism integrates three levels of steric hindrance and a novel contact redox inhibition mechanism. We have shown that eSHRI can detect low nanomolar concentrations of protein analytes in a drop of blood in less than 3 min with up to -93.6 ± 1.36 % in signal gain. Moreover, the eSHRI hybridization assay remains primarily independent of the sensor density on the surface of the electrode and thus insensitive towards variations in fabrication or aging time. Despite its impressive characteristics, eSHRI may see its universality limited by the complicated chemical modifications required to attach both the recognition element and the redox molecule on the same extremity of a DNA strand. In response, in chapter 3, we develop a novel, potentially universal signaling mechanism, the molecular barrier-based assay, that only requires a single modification of its DNA strands. In this assay, the recognition element and redox molecule are conjugated to the surface-attached capturing DNA and the free-moving signaling DNA. The assay works by having the protein analytes create a molecular barrier upon binding to the sensor surface, reducing the hybridization efficiency between the capturing DNA and the signaling DNA. Using this novel sensor, we have demonstrated the detection of two proteins, streptavidin and antibody, directly in a drop of blood. DNA-based antibodies, called aptamers, have drastically expanded our ability to detect a large proportion of clinically relevant analytes in recent years. However, the development of aptamer-based eDNA sensors still requires a long optimization process, remains highly dependent on specific surface densities, and displays significant signal drift when deployed in the blood. In response, we present in chapter 4 a simple, highly modular, universal assay that employs kinetically programmed constitutional dynamical chemistry (CDC). This assay works by programming the kinetics of three competing reactions to enable molecular detection directly in a drop of blood. We show that this assay is potentially universal by demonstrating the quantitative detection of four molecular markers: quinine, adenosine triphosphate (ATP), thrombin, and platelet-derived growth factor (PDGF). We further show the point-of-care potential of this new sensor by performing direct quinine monitoring in living mouse blood. Overall, we believe that these new sensing mechanisms solve the main weaknesses of current eDNA sensors and display all the characteristics required for the development of commercialized devices analogous to glucose meters.

Des progrès dans les batteries aux ions lithium sont en cours de développement afin de répondre, entre autres, à la demande croissante des hautes densités d'énergie et de puissance pour le réseau électrique et en particulier pour l'application dans les véhicules électriques. Ces derniers remplacent écologiquement les véhicules à moteur à combustion interne et leurs succès est principalement dû à leur efficacité énergétique supérieure, à leurs faibles coûts d'exploitation et à leur profil respectueux de l'environnement par rapport aux véhicules à essence. Parmi les différents matériaux de cathode, les composés d'intercalation LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) sont les meilleurs candidats pour des applications dans les batteries aux ions lithium à hautes performances. Des efforts sont en cours pour mettre en oeuvre des matériaux cathodiques à base de NMC riches en nickel pour répondre aux besoins environnementaux et énergétiques. Aussi séduisants soient-ils, ces matériaux de cathode présentent certains inconvénients liés à une forte réactivité, notamment à l'interface avec l'électrolyte. Pour contourner ces problèmes, des modifications de surface sont étudiées comme des solutions accessibles pour protéger le matériau actif et améliorer ses performances. Bien que diverses chimies et stratégies de revêtement soient publiées dans la littérature, notre approche consistant à combiner la synthèse et la modification de surface du matériau actif en une étape est aussi simple qu'efficace. Le présent manuscrit porte sur l’étude de ce composé. Deux méthodes de revêtement de surface ont été étudiées et leur matériau revêtu résultant a été comparé au matériau non revêtu. Après une caractérisation détaillée de ces matériaux, des études électrochimiques ont été menées afin d’évaluer leurs performances. Enfin, notre NMC622 revêtu de LiAlO2 en une seule étape s'est avéré efficace pour contrer la dégradation de la capacité du NMC et pour améliorer la stabilité structurelle des particules, améliorant ainsi leur cycle de vie. / Advances in lithium-ion batteries are being developed in order to meet, among other things, the increasing demand for high energy and power densities for the electric power grid and especially for application in electric vehicles. The latter are a green replacement for internal combustion engine vehicles, and their success is mostly due to their higher energy efficiency, low operating costs and eco-friendliness compared to gasoline-powered vehicles. Among various cathode materials, LiNixMnyCo1-x-yO2 (NMC) intercalation compounds are the best candidates for applications in high performance lithium-ion batteries. Efforts are underway to implement nickel-rich NMC-based cathode materials to meet environmental and energy needs. As appealing as they are, these cathode materials present certain drawbacks associated with high reactivity, especially at the interface with the electrolyte. To circumvent these issues, surface modifications are investigated as accessible solutions to protect the active material and enhance its performance. Although various coating chemistries and strategies are published in the literature, our approach of combining synthesis and surface modification of the active material in a single pot is as simple as it is efficient. The following manuscript will be covering the study of this material. Two methods of surface coating were studied, and their resulting coated material was compared to the uncoated material. After a detailed characterization of these materials, electrochemical studies were carried out to evaluate their performance. Finally, our resulting one pot LiAlO2- coated NMC622 has shown to be effective in counteracting NMC capacity degradation and improving the structural stability of the particles, thereby improving their cycle- life.

Les batteries lithium-ion dépendent de l’utilisation d’électrodes composites positives, traditionnellement préparées avec des liants fluorés tels que le polyfluorure de vinylidène (PVDF). Ceux-ci sont souvent dissouts ou dispersés dans des solvants toxiques et inflammables. Les interdictions récentes des substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS), qualifiées de polluants éternels, imposent le développement d'alternatives durables pour atténuer les dommages environnementaux supplémentaires. La carboxyméthylcellulose (CMC) est une alternative prometteuse aux liants à base de PFAS car elle est biosourcée, biodégradable et soluble dans l'eau. Cependant, le processus d'utilisation d'un liant aqueux durable de CMC avec un matériau actif sensible à l'humidité, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, NMC622, dans une électrode composite positive présente un grand défi. Une avancée notable est l'application d'un revêtement protecteur qui peut être appliqué directement sur la surface des particules du matériau actif à l'aide d'un jet de plasma à pression atmosphérique (APPJ). Dans cette étude, l'APPJ a été utilisé pour déposer un revêtement organosilicié sur les particules de NMC622. Les particules de NMC enrobées ont subi des tests chimiques et électrochimiques rigoureux pour déterminer leur composition chimique et leur microstructure modifiée. Bien que ces résultats soient prometteurs, la performance électrochimique, mesurée par la capacité spécifique, la densité énergétique, l’efficacité coulombique, la stabilité cyclique, la durée de vie et la stabilité mécanique, n’est pas optimale, possiblement en raison de la dégradation préalable du matériau actif et d’une couverture inhomogène. Les particules enrobées ont connu un degré de protection contre l'exposition à l'humidité, aux électrolytes courants et aux environnements aqueux. La présence du revêtement s'est avérée préserver la microstructure des particules sans avoir d'impact significatif sur les propriétés électrochimiques du matériau, telles que la capacité spécifique et l’efficacité coulombique. / Lithium-ion batteries rely on the use of positive composite electrodes, which are traditionally prepared using fluorinated binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF). These are often dissolved or dispersed in toxic and flammable solvents. Recent bans on ‟forever chemicals” per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) impose the development of sustainable alternatives to mitigate further environmental damage. Carboxymethyl cellulose (CMC) is a promising alternative to PFAS-based binders as it is bio-sourced, bio-degradable, and water-soluble. However, the process of using a sustainable CMC aqueous binder with a humidity sensitive active material, Li(Ni0.6Mn0.2Co0.2)O2, NMC622, in a positive composite electrode is challenging. One notable advancement is the application of a protective coating that can be applied directly on the active material particles surface using atmospheric pressure plasma jet (APPJ). In this study, the APPJ was used to deposit an organosilicon coating onto NMC622 particles. The coated NMC particles underwent rigorous chemical and electrochemical testing to determine the chemical composition, and microstructure of the modified particles. Despite promising indications, the electrochemical performance, measured by specific capacity, energy density, coulombic efficiency, cycling stability, lifetime and mechanical stability, is not optimal due possibly to the priori degraded active material and inhomogeneous coverage. The coated particles experienced a degree of protection from exposure to humidity, common electrolytes, and aqueous environments. The presence of the coating was found to preserve particle microstructure without having a significant impact on the electrochemical properties of the material, such as specific capacity and coulombic efficiency.

Les fichiers additionnels sont les données cristallographiques en format CIF. Voir le site de la Cambridge Crystallographic Data Centre pour un visualiseur: http://www.ccdc.cam.ac.uk / Ce projet de recherche vise l’élaboration de systèmes métallosupramoléculaires artificiels imitant le processus naturel de la photosynthèse. Idéalement, ces systèmes seraient capables de fournir l’énergie et la séparation de charge nécessaire pour catalyser des réactions à transfert multiélectroniques, tel que l’hydrolyse de l’eau ou la réduction du gaz carbonique. La réalisation d’un tel système catalytique créerait une source d’énergie renouvelable, sous forme d’énergie chimique, crée directement à partir de l’énergie solaire. Le système envisagé, schématisé sous la forme d’une antenne, possède trois parties distinctes. Tout d’abord, des chromophores forment un état excité en captant l’énergie de la lumière visible du soleil. Vient ensuite un centre de liaison qui lie tous les chromophores et qui collecte l’énergie de cet état excité à travers un transfert d’électron. Cet électron est de nouveau transféré vers la dernière partie, un centre réactionnel catalytique. Cet assemblage permet de créer une séparation de charge entre le chromophore et le centre réactionnel qui sont séparés par le centre de liaison, évitant ainsi la recombinaison de charge. Le projet se focalise sur la synthèse, la caractérisation et l’application en photocatalyse d’assemblages chromophore–centre de liaison–catalyseur. Tout d’abord, une étude de chromophores à base de fluorène et de rhénium a été effectuée dans le but d’évaluer le transfert électronique entre ces deux composants. Ensuite, des centres de liaisons à base de dimère de rhodium tétraamidinate ont été créés et étudiés afin d’établir leurs caractéristiques photophysiques et électrochimiques. Puis un d’entre eux a été assemblé avec des chromophores de rhénium, créant ainsi des espèces moléculaires discrètes contenant d’un à quatre chromophores. Et pour finir, ces assemblages ont été combinés avec un catalyseur à base de cobalt, puis ont été testés dans des expériences de photoproduction d’hydrogène. Cette dernière partie a requis l’élaboration d’un photoréacteur qui est aussi décrite en détail dans cet ouvrage. / This research project involves synthetic metallosupramolecular systems developed to mimic the natural process of photosynthesis. Ideally, these systems would be able to provide the energy and the charge separation needed to catalyze multielectron-transfer reactions, such as water-splitting or carbon dioxide reduction. The realization of such a catalytic system would create a renewable energy source, in the form of chemical energy, created directly from solar energy. The system envisioned has three distinct parts in the form of an antenna. First of all, chromophores go into an excited state, while capturing the visible light energy of the Sun. Then comes a hub which binds all the chromophores and collects this excited state energy through an electron transfer. This electron is then transferred again to the last part, a catalytic reaction center. This assembly creates a charge separation between the chromophore and the reaction center which are separated by the hub, thus avoiding the recombination of charge. The project focuses on the synthesis, characterization and application in photocatalysis of chromophore-hub-catalyst assemblies. First of all, a study of fluorene and rhenium based chromophores was made to assess the electronic transfer between these two components. Then, tetraamidinate rhodium dimer based hubs have been created and studied in order to establish their photophysical and electrochemical characteristics. Then one of these assemblies was formed with chromophores of rhenium, thus creating discrete molecular species containing one to four chromophores. And finally, these assemblies were combined with a cobalt-based catalyst and were tested for hydrogen photoproduction. The latter required the development of a photoreactor which is also described in detail in this thesis.

Dans un contexte où l’approvisionnement énergétique mondial du 21e siècle est un enjeu majeur, le développement de sources d’énergie renouvelables suscite l’attention croissante de la communauté scientifique et industrielle. L’énergie solaire est définitivement l’une des meilleures alternatives aux combustibles fossiles en tant que source d’énergie du monde de demain. Ce mémoire traite donc du développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications de photorécoltage d’énergie en photovoltaïque et en production d’hydrogène. Le premier chapitre présente la synthèse assistée par microondes de quatre nouveaux complexes de Co(II), Ni(II), Cu(II) et Zn(II) basés sur le ligand tétra-p-méthoxyphényl-azadipyrrométhène (ADPM) avec des rendements variant de 89% à quantitatif. Ces complexes sont mis en relation avec d’autres complexes homoleptiques connus portant le tétraphényl-ADPM comme ligand ainsi qu’avec leurs chélates de BF2+ pour une meilleure compréhension des tendances engendrées par la substitution de l’agent coordonnant et/ou des substituants p-méthoxy. Pour ce faire, le comportement électrochimique et photophysique est présenté. De façon générale, la présence des quatre groupements p-méthoxy semble rendre les dérivés de cet ADPM plus susceptibles à la dégradation électrochimique en conditions d’oxydation et induire un déplacement bathochromique des propriétés optiques d’absorption et d’émission. Les structures rayons X du ligand tétra-p-méthoxyphényl-ADPM et de son complexe homoleptique de Co(II) sont aussi discutées. Cette étude a été effectuée dans l’espoir de fournir des informations utiles sur la stabilité des ADPM aux chercheurs du domaine photovoltaïque en quête de nouveaux chromophores dans le proche infrarouge (NIR). Le deuxième chapitre présente quant à lui les propriétés de senseur envers les anions F-, OAc- et H2PO4- de deux nouveaux complexes neutres de Re(I) de type mono- et dinucléaire basés sur une phénanthroline substituée en position 5 contenant un récepteur thio-urée. Ces composés ont été obtenus dans des rendements de 81% et 60%, respectivement. L’effet de la formation de ponts hydrogène lors de l’ajout d’anions versus la déprotonation du récepteur a été évalué par des titrations UV/Vis et RMN 1H et semble indiquer que la formation de la base conjuguée du récepteur est favorisée pour ce type de système. De plus, la structure rayons X d’un des précurseurs est présentée et permet une discussion sur la chiralité des complexes mono- et dinucléaire obtenus. L’obtention d’un complexe bimétallique par autoassemblage ouvre la voie à la préparation d’antennes moléculaires pour des systèmes de photosynthèse artificielle. / The world's energy supply is rapidly becoming the major issue of the 21st century. Instead of the status quo approach of finding and extracting more hydrocarbons from the ground, the development of renewable energy sources is attracting much interest from both the scientific and industrial communities. Solar energy is definitively one of the best sources to power the World of tomorrow. In such a framework, this dissertation discusses the development of new organometallic materials able to harvest solar energy for photovoltaic or H2 photoproduction applications. The first chapter presents the synthesis by a microwaves-assisted methodology of four new homoleptic complexes of Co(II), Ni(II), Cu(II) and Zn(II) based on the tetra-p-methoxyphenyl-azadipyrromethene (ADPM) ligand in yields ranging from 89% to quantitative. Those complexes are put in relation with already known ADPM homoleptic complexes of the same M(II) series and related BF2+ chelates (Aza-BODIPY) for a better understanding of trends arising from substitution of the chelate and/or electron-donating effect of the p-methoxy substituents. This is achieved by the study of electrochemical behavior of the compounds and their photophysical properties. From a general point of view, the presence of the four p-methoxy substituents leads to an electrochemical decomposition of the derivatives based on that ADPM in oxidative conditions, along with a bathochromic shift of the optical properties. X-Ray structures for the tetra-p-methoxyphenyl-ADPM ligand and related Co(II) complex are also discussed. Hopefully, this study will provide useful insights to researchers on the substituents to install for stable ADPM derivatives in their quest for NIR chromophores utilizable for photovoltaic application. The second chapter report anion sensing properties toward F-, OAc- and H2PO4- of new neutral mononuclear and dinuclear Re(I) complexes based on a 5-substituted phenanthroline moiety bearing a thiourea hydrogen-bonding receptor. Those complexes were obtained in 81% and 60% yields, respectively. The effect of hydrogen-bonding versus deprotonation of the thiourea receptor upon addition of the anions was also evaluated by UV/vis and 1H NMR titration techniques. Observations made support the hypothesis that formation of the conjugated base of the receptor is favored. In addition, an X-ray structure of the Re(I) precursor complex is reported and the chirality of the mononuclear and dinuclear complexes is discussed. Achievement of a bimetallic complex by self-assembly paves the way for the preparation of light-harvesting molecular antennae utilizable in artificial photosynthesis systems.

Ce travail de thèse présente l’étude du diagramme de phase des oxydes lamellaires NaxMoO2dans le cadre de la recherche de nouveaux matériaux. L’identification des transitionsstructurales au cours de l’intercalation et désintercalation électrochimique du sodium dans lesdomaines de composition ½ ≤ x ≤ 1 et ¼ < x ≤ ½ a été faite par électrochimie combinée à ladiffraction des rayons X in situ. Il a été montré que le profil très accidenté de la courbegalvanostatique résulte de multiples réarrangements structuraux au cours du cyclage.Notamment l’existence de nombreuses phases NaxMoO2 particulières a été mise en évidence,pour lesquelles des mises en ordre des ions sodium et des atomes de molybdène sont attendues.Des composés Na~1/2MoO2, Na~2/3MoO2 et NaMoO2 ont été synthétisés ex situ par voieélectrochimique ou chimique et leur caractérisation révèle des arrangements structurauxcomplexes, tel que des chaînes de clusters de molybdène dans les feuillets [MoO2] de NaMoO2. / This work concerns the investigation of the phase diagram of sodium layered oxides NaxMoO2in the search of new materials. Structural transitions upon sodium electrochemical(de)intercalation were studied by electrochemistry combined with in situ X-ray diffraction forcompositions ½ ≤ x ≤ 1 et ¼ < x ≤ ½. It was shown that the very undulating aspect of theelectrochemical curve results from multiple structural rerarrangements upon cycling. Especiallynumerous NaxMoO2 specific phases have been evidenced, for which sodium/vacancy orderingsas well as the formation of Mo-Mo bonds are expected. Na~1/2MoO2, Na~2/3MoO2 et NaMoO2compounds have been (electro)chemically synthesized and their structural characterizationreveals complex structures, such as chains of diamond-like molybdenum clusters in NaMoO2.

Au cours de ce travail de thèse, nous avons montré le rôle du ligand organique pour moduler les propriétés électroniques de complexes de métaux de transition mono- et polynucléaires.<br />La première partie de ce travail étudie tout d'abord l'influence des effets électroniques (donneurs et accepteurs) des ligands chélatants sur les propriétés électrochimiques de complexes mononucléaires de Fe(III). Nous avons également montré qu'il est possible de moduler les propriétés optiques de complexes polynucléaires à valence mixte FeIIBS(FeIIIHS)x (x = 4 et 6). Enfin, un modèle a été proposé pour expliquer l'origine de l'interaction ferromagnétique au sein d'un des premiers composés de la chimie de coordination, le bleu de Prusse dont les complexes FeIIBS(FeIIIHS)x sont des modèles.<br />La deuxième partie concerne l'étude de l'anisotropie magnétique au sein de complexes mononucléaires de Ni(II). Ce travail montre qu'il est possible d'influencer l'amplitude et la nature (axiale, planaire ou rhombique) de l'anisotropie magnétique grâce au choix des ligands chélatants.<br />Enfin, une modulation de l'énergie des états de spin de systèmes binucléaires en jouant sur les ligands pontants et périphériques permet de mettre en évidence le croisement de deux niveaux MS issus de deux états S différents sous l'action d'un champ magnétique extérieur. Ainsi il est possible d'accéder aux propriétés d'anisotropie dans les états excités de complexes polynucléaires possédant un état fondamental de spin S = 0.