Ce mémoire porte sur le développement d'un protocole d'extraction sélective de métaux présents dans les accumulateurs Ni-Cd en fin de vie. Classiquement, les procédés hydrométallurgiques appliqués à ce type de solides comportent de nombreuses étapes dont les principales sont la lixiviation et la récupération du métal par électrolyse. Le procédé utilisé permet le couplage des opérations d'Electrolixiviation et d'Electrodéposition (noté E/E) au sein d'une même cellule. La technique est basée sur la lixiviation de la matière active des accumulateurs Ni-Cd par les protons générés à l'anode, les cations lixiviés (Co2+, Ni2+ et Cd2+) migrent vers la cathode où le cadmium est sélectivement réduit. Nous avons étudié les possibilités de récupération des métaux, mais également tenté d'appréhender les phénomènes prenant place dans la cellule lors du couplage E/E. Dans un premier temps, nous avons choisi de démanteler manuellement des accumulateurs en raison de la complexité des broyats industriels. La matière active des accumulateurs Ni-Cd a été caractérisée. Sa composition moyenne est la suivante :Cd(OH)2 : 45,3 %, Cd0 : 0,02 %, Ni(OH)2 : 30,0 %, Ni0 :12,9 %, NiOOH : 0,9%, Co(OH)2 : 2,4 %. Au vu des différentes formes minéralogiques présentes, ce solide peut être considéré comme un déchet modèle pour ce traitement. Avant d'envisager le couplage E/E, la lixiviation chimique de la matière active par H2SO4 a d'abord été étudiée. La modélisation de cette opération a mis en évidence que la cinétique de dissolution de Cd(OH)2 est gouvernée par le transfert de masse des protons, la dissolution de Ni(OH)2 et Co(OH)2 étant quant à elle régie par la réaction chimique de surface. Dans ces conditions de lixiviation douce, le nickel métallique n'est pas oxydé et se retrouve dans le résidu solide avec le carbone. Nous avons pu démontrer ensuite la sélectivité de l'électrodéposition vis-à-vis du Co2+ et du Ni2+ avec un rendement faradique d'environ 99 % à une densité de courant de 350 A.m-2. L'étude cinétique de l'E/E a montré que l'électrolixiviation est l'étape limitante du procédé, phénomène qui a également été modélisé. L'E/E appliquée aux matériaux d'électrodes permet en 5 h 30 de lixivier 97 % du cadmium initialement présent. Le solide résiduel est composé à 82 % de nickel, principalement sous la forme métallique, 4 % de cadmium, 0,5 % de cobalt et 3 % de carbone. Le dépôt de cadmium est obtenu avec une pureté supérieure à 97 % et un rendement faradique de déposition supérieur à 74 % à une densité de courant de 350 A.m-2. La faisabilité du couplage E/E appliqué au traitement d'accumulateurs Ni-Cd en fin de vie a été démontrée malgré la complexité de la matrice. Les premiers essais d'application de ce traitement à des échantillons industriels (Cd(OH)2 : 36,1 %, Ni(OH)2 : 24,1 %, Ni0 : 16,6 %, NiOOH : 5,5 %, Co(OH)2 : 2,4 % et Fe :1% en masse) confirment les résultats obtenus avec les matériaux d'électrodes provenant du démantèlement manuel / This thesis focuses on the development of a protocol for selective extraction of metals from spent Ni-Cd batteries. Conventionally, hydrometallurgical processes applied to this type of solids involve several steps, the main ones being the leaching and the metal recovery by electrolysis. The method used consists in coupling Electroleaching to Electrodeposition operation (denoted E/E) within the same cell. The technique is based on the leaching of the active material of Ni-Cd batteries by protons generated at the anode: the cations (Co2+, Ni2+ and Cd2+) released by leaching migrate to the cathode where the cadmium is selectively reduced. We studied the possibility of metals recovery, but also tried to understand the phenomena occurring in the cell during the E/E experiments. Initially, it was preferred to manually dismantle batteries due to the complexity of industrial waste crushed. The active matter of Ni-Cd has been characterized. Its average composition is as follows: Cd(OH)2: 45.3%, Cd0: 0.02%, Ni(OH)2: 30.0%, Ni0: 12.9%, NiOOH: 0.9%, Co(OH)2: 2.4%. In view of these different mineralogical forms, this solid can be considered a model for the waste treatment. Before considering the E/E treatment, chemical leaching of the active matter by H2SO4 was first studied. Modelling of the tests carried out showed that the kinetics of Cd(OH)2 dissolution is governed by mass transfer of protons and the dissolution of Ni(OH)2 and Co(OH)2 by the surface chemical reaction. Under these conditions of soft leaching, metal nickel is not oxidized and is found in the solid residue, with carbon. We had to demonstrate the cadmium electrowinning selectivity, for separation from Co2+ and Ni2+ species, with a current efficiency up to 99% at a current density of 350 A.m-2. The kinetic study of the E/E showed that electroleaching is mainly governed by H+ generation at the anode. Besides, the overall process is largerly controlled by cations transport from the anode to the cathode side: this transport phenomenon had also been modeled. The E/E applied to the electrode materials for 5 h 30 allows the leaching of 97% of the cadmium initially present. The residual solid is composed by 82% of nickel, mainly in the metallic form, 4% of cadmium, 0.5% of cobalt and 3% carbon. The deposition of cadmium is obtained with a purity greater than 97% and a current efficiency greater than 74% at a current density of 350 A.m-2. The feasibility of the E/E coupling applied to the spent Ni-Cd batteries treatment has been demonstrated despite the complexity of the matrix. The first tests to apply this treatment to industrial samples (Cd(OH)2: 36.1% Ni(OH)2: 24.1% Ni0: 16.6% NiOOH: 5.5% Co(OH)2: 2.4% and Fe: 1% by weight) confirm the results obtained with the electrode material from the manual dismantling

L'étude porte sur le vieillissement prédictif de systèmes mécaniques permettant de garantir la fiabilité de ceux-ci pendant leur durée de vie. Elle s'appuie sur un sujet réel : le comportement sur plusieurs dizaines d'années d'un soufflet composé d'un sandwich ni/cu/ni obtenu par électrodéposition. Deux processus de dégradation ont été identifiés pour ce composant : la perte d'étanchéité et la variation de raideur. L'évolution de ces propriétés au cours du temps est analysée à l'aide de couplages multi-physiques entre le comportement thermo-mécanique et la tenue à la fatigue du nickel, l'interdiffusion du couple ni/cu et la croissance de grains anormale du nickel. Ceux-ci sont caractérisés expérimentalement à l'aide de moyens adaptés ou spécialement développés. Des études numériques et analytiques permettent de conclure sur la pertinence des modes de vieillissement.

Ce travail porte sur les complexes des métaux de transitions pour la catalyse de la réduction des protons en hydrogène. La nature de l'espèce catalytiquement active mise en jeu lors du processus de réduction a été étudiée par voltampérométrie cyclique afin de comprendre le rôle et le mode d'action de ces complexes. Le premier chapitre introduit le contexte et les principaux objectifs de ce travail. Le deuxième chapitre propose une étude électochimique de complexes de cobalt et de nickel à ligands bis(glyoxime) et clathrochélates en phase homogène. Leur comportement en présence d'acide et en condition réductrice est décrit et un mécanisme réactionnel associé est proposé. L'influence des ligands de la sphère de coordination sur le comportement électrochimique de ces complexes a été rationalisé par le biais de substitution des groupements présents sur les ligands bis(glyoxime) et clathrochélates. Le troisième chapitre aborde le rôle de pré-catalyseur que peuvent tenir ces complexes en condition d'électrolyse réductrice et en milieu acide. L'électrosynthèse de nanoparticules catalytiques à partir de ces complexes a mis en évidence le rôle majeur des ligands bis(glyoxime) et clathrochélates dans ce phénomène d'électrodéposition. Ces résultats montrent que ces ligands peuvent être utilisés pour contrôler la nature et l'activité de nanoparticules catalytiques pour la réduction des protons en dihydrogène. Le quatrième chapitre vise à immobiliser les complexes de cobalt à ligand clathrochélate au sein de réseaux de coordination afin d'optimiser leur activité catalytique. Malgré la faible solubilité et l'encombrement stérique de ces complexes, des synthèses en conditions très douces ont abouti à la formation de réseaux mono et bi-dimensionels à base d'ions cadmium(II).

Dans les dispositifs actuels de sauvegarde de données, les bits d'informations sont stockées sous la forme de paroi de domaines dans une couche mince, voire des media "patternés". Le support reste donc 2D. De nos jours, la densité de stockage tend vers une valeur maximale qu'il est difficile de dépasser pour des raisons fondamentales et technologiques. Ainsi, récemment des efforts ont été réalisés pour développer des dispositifs 3D qui allient la polyvalence de la mémoire RAM solide avec un coût comparable à celui des disques durs actuels.Un nouveau concept théorique particulièrement intéressant pour une mémoire magnétique en 3D a été proposé en 2004 par S. Parkin et al.. Cette mémoire de type registre à décalage est constituée d'un réseau de nanofils magnétiques verticaux avec une section transversale cylindrique ou bien rectangulaire. Dans ce nouveau type de mémoire, les bits sont codés sous forme d'une série de parois de domaine. Cette dernière peut être déplacée vers une tête de lecture intégrée par des impulsions de courant polarisé en spin de quelques nanosecondes.Les parois de domaines magnétiques dans des nanofils cylindriques ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique en raison de leur application possible dans un dispositif fonctionnel ainsi qu'en raison de nouvelles propriétés intéressantes qui résultent du confinement géométrique des parois. A ce jour, seules quelques études expérimentales sur de telles parois de domaines existent. Elles ont mis en évidence la difficulté de maîtriser la propagation de parois dues à des forts effets de piégeage. Jusqu'à présent, l'origine microscopique de ce piégeage n'a été que partiellement comprise. On s'attend à ce qu’indépendamment de la qualité géométrique du fil, la microstructure du matériau puisse jouer un rôle non négligeable.Dans le cadre du projet européen FP7 m3D, l'objectif de mon travail de thèse a été d'étudier la propagation des parois de domaine dans des nanofils cylindriques avec des modulations de diamètre. L'énergie de ces parois de domaine augmentant avec le diamètre du fil, on s'attend à ce que des excroissances (ou des constrictions) agissent comme des barrières d'énergie artificielles (respectivement puits). Par conséquent, une propagation de paroi de domaine contrôlée via la géométrie du fil semble possible.La première partie de mon travail concerne l'optimisation des matériaux. Des fils d'un alliage de NiCo (diamètre de 100-200nm et longueur de plusieurs dizaines de micromètres) avec deux géométries distinctes ont été fabriqués par électrodéposition en collaboration avec le groupe du Prof. J. Bachmann à l' Université d'Erlangen. Pour chaque géométrie, j'ai exploré l'effet de la composition de l'alliage ainsi que d'un recuit sur la microstructure du matériau. Par la suite, la propagation des parois de domaine dans des nanofils individuels a été étudiée sous l'influence d'un champ magnétique quasi-statique ou d'une impulsion de champ magnétique avec une durée d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai effectué des simulations micromagnétiques complémentaires pour étudier l'effet de la géométrie des modulations sur le piégeage de ces parois de domaine magnétiques. / In all current data storage devices, the information bits are stored in form of domain walls in a thin film or in patterned media on a two-dimensional surface . Within the next decade, further increase of the storage density in these devices is expected to come to a halt due to several fundamental and technological issues. Thus there have recently been efforts to develop three-dimensional devices combining the versatility of solid state RAM with the cost efficiency of common hard disk drives.A particularly interesting theoretical concept for a three-dimensional magnetic memory has been proposed in 2004 by S. Parkin et al. . Their racetrack memory consists of a vertical array of magnetic nanowires with either cylindrical or rectangular cross section. The bits are encoded in a series of up to 100 domain walls per wire. Using nanosecond spin polarized current pulses these walls are shifted past an integrated read head.Magnetic domain walls in cylindrical nanowires have raised the interest of the scientific community due to their possible application in a functional device as well as due to exciting new properties which arise from the geometric confinement. Up to date, only a few pioneering experimental studies on such domain walls exist. They indicate strong pinning effects preventing a deterministic domain wall propagation. So far the microscopic origin of this pinning has only partially been understood. It is expected however that beside the wire geometry the material microstructure may play a considerable role.Situated within the framework of the European FP 7 project m3D, the objective of my work has been to investigate the domain wall propagation in cylindrical nanowires with diameter modulations by means of magnetic force microscopy and micromagnetic simulation. As the domain wall energy increases with the wire diameter, protrusions (resp. notches) are expected to act as an artificial energy barrier (resp. well). Consequently, a deterministic domain wall propagation controlled via the wire geometry seems possible.A first part of my work concerns material optimization. For this, NiCo alloy wires (100-200nm diameter and multiple tens of micrometers in length) with two distinct geometries have been fabricated by template assisted electrodeposition (Chemist collaborators at Univ. Erlangen, Prof. J.Bachmann). I have then explored the impact of the alloy composition as well as of possible post-fabrication annealing on the material microstructure. Subsequently, domain wall propagation in individual nanowires has been investigated under the influence of either a quasistatic magnetic field or a nanosecond magnetic field pulse. In addition I have performed complementary micromagnetic simulations to study the effect of the modulation geometry on the domain wall pinning.

Le tantale est un métal à utilisation stratégique notamment dansle domaine de l'électronique et des implants biomédicaux,domaines qui requièrent la réalisation de dépôts de tantale encouches minces. L’objectif de cette thèse est de déposer par voieélectrochimique et à température ambiante du tantale métalliqueà partir d'un sel de tantale solubilisé dans un électrolyte liquideionique qui possède à la fois les propriétés d’un solvant et d’unélectrolyte. Ils ont une fenêtre électrochimique large qui les rendprometteurs pour l’électrodéposition des matériaux réfractairescomme le tantale. Nous avons établis au cours de cette thèse denouvelles connaissances sur les propriétés physico-chimiques etde transport de l’électrolyte formé du sel de tantale TaF5 et duliquide ionique [BMPyr][TFSI]. Ces études corrélées à desanalyses électrochimiques et des analyses de la morphologie etde la composition élémentaire du dépôt ont conduit à proposerun mécanisme de réduction du sel de tantale pentavalent entantale métallique. Du tantale métallique sous une formeamorphe existe dans les couches profondes du dépôtaccompagné de résidus du liquide ionique enfermé dans lespores des couches déposées. / Tantalum is a metal of strategic uses such as in the field ofelectronics and biomedical implants. These fields require thedeposition of thin metallic tantalum films on different substrates.The aim of this thesis is to perform tantalum electrodepositionfrom tantalum salt at room temperature using room temperatureionic liquids as electrolytes. Tantalum electrodeposition isimpossible in aqueous solutions; therefore ionic liquids are thebest choice for this application because of their largeelectrochemical window. Room temperature ionic liquidsaccomplish both the roles of a solvent and an electrolyte. Theirperspectives are encouraging for the electrodeposition ofrefractory metals as tantalum. We have established in this thesisnew knowledge about the physicochemical and transportproperties of the electrolyte formed by tantalum salt TaF5 andthe room temperature ionic liquid [BMPyr][TFSI]. These studiescorrelated with electrochemical analysis, morphology andelemental composition analysis of the layers deposited served usin the understanding of the reduction mechanism of tantalumsalt into its metallic form. An amorphous metallic form oftantalum exists in deeper layers of the deposit in addition toresidues of the ionic liquid trapped in the pores of the layers.

Les architectures moléculaires qui se forment exclusivement sur une surface sont encore rares. L’électrodéposition est un procédé exploitant des « signaux » électriques afin de déclencher et contrôler l’assemblage de films. Récemment, une nouvelle méthode : l’autoconstruction de films en « une étape » par l’utilisation d’un morphogène (un gradient de catalyseur généré depuis une électrode), a attiré l’attention de la communauté scientifique. En effet, elle permet l’auto-assemblage rapide de films polymériques robustes. Cependant, cette technique était limitée à des systèmes basés sur la chimie click du Cu (I). Le but de ce travail était d’étendre cette stratégie à d’autres systèmes en utilisant une approche bio-inspirée. Le concept du morphogène a été appliqué pour développer deux nouveaux systèmes d’autoconstruction déclenchées par électrochimie. Le premier système est basé sur l’autoconstruction covalente de films polymériques induite par l’oxydation d’une molécule organique, inspirée de la moule. Le deuxième est basé sur l’auto-assemblage de films de polyphénols par électro-assemblage par liaisons de coordinations. Enfin, nous avons appliqué ces deux concepts pour immobiliser électrochimiquement une enzyme sur une électrode afin de créer un biosenseur. / Molecular architectures that spontaneously grow exclusively near a surface are rare. Electrodeposition is a process in which imposed electrical « signals » are employed to direct the assembly of thin films. Recently, a new method based on the one-pot self-construction of films by means of a morphogen (a catalyst gradient generated from a surface) has attracted attention since it allows the quick self-assembly of robust films. Nevertheless, this technique was quite limited to systems based on click chemistry.The purpose of this work was to extend this strategy to other systems using a bio-inspired approach. The one-pot morphogen concept was applied to design two new electro-triggered self-construction concepts. The first one is based on the self-construction of covalent polymer films triggered by mussel-inspired molecule oxidation. The second one is based on the electro-self-assembly of polyphenols films based on ionic bonds coordination. Finally, we tried to apply these concepts in order to electrochemically immobilize an enzyme on an electrode to create a biosensor.

Entre le milieu du XIXème et du XXème siècle, le secteur sidérurgique a été l’une des principales sources de richesse en France. Toutefois, la production de ferromanganèse a généré une quantité considérable de déchets, notamment lors du lavage des fumées des hauts fourneaux. Ces boues d’épuration, riches en zinc (Zn), manganèse (Mn) et plomb (Pb) (5 à 40% en masse), ont été déposées dans des bassins de décantation en périphérie des sites sidérurgiques. Depuis la fermeture des usines, ces terrains sont restés en l’état et certains, comme à Pompey (Lorraine), ont été progressivement colonisés par la végétation. Compte tenu des risques sanitaires liés aux concentrations en métaux, une décontamination semble inévitable. Néanmoins, on prend conscience aujourd’hui de l’épuisement des ressources, et ces bassins apparaissent comme un gisement de ressources secondaires. Ce travail vise à développer un procédé hydrométallurgique pour extraire Zn, Mn et Pb de ces résidus, dans l’optique de récupérer ces métaux sous forme pure et revalorisable, tout en décontaminant ces sites. Tout d’abord, les expériences ont permis déterminer les conditions optimales (quantité d’acide, temps, température, ajout de réactifs, densité de pulpe) pour parvenir à extraire sélectivement Zn et Mn contenus dans les boues et former un résidu riche en Pb. Le Zn a été ensuite récupéré sous forme de ZnO ou ZnS par précipitation ou sous forme métallique par électrodéposition. Enfin, le Mn a été précipité sous forme de MnCO3 avec une concentration acceptable en impuretés. Une étude technico-économique a été réalisée pour évaluer l’intérêt de l’industrialisation du procédé / During the XIXth and XXth centuries, steel industry has been one of the main sources of wealth in France. However, ferromanganese manufacturing has produced huge quantities of wastes, for instance after blast-furnace gas washing. The residual sludge, containing high concentrations of zinc (Zn), manganese (Mn) and lead (Pb) (5 to 40 wt %), has been deposited in ponds, in the vicinity of steel-making plants. Since plant closure, these fields have been left untouched; some of them, like in Pompey (Lorraine) have been colonized by vegetation. These sites may be considered as a threat to health and environment and should be cleaned up. Nevertheless, with awareness of metal shortage, these ponds may be considered as deposits of secondary resources. This works aims at designing a hydrometallurgical process to extract Zn, Mn and Pb from these residues and recover them in a valuable form, while decontaminating the sites. At first, experiments have enabled us to determine the optimal conditions (acid concentration, duration, temperature, reactant addition, pulp density) to extract selectively Zn and Mn from the sludge and leave a Pb-rich residue. Then, Zn was recovered as ZnO or ZnS after precipitation or as Zn after electrowinning. Mn was recovered as MnCO3 at an acceptable purity. A technico-economic study has been done to assess the industrial interest of the process

Ce travail présente l'utilisation de réseaux d'électrodes de carbone sérigraphiés pour la réalisation de biopuces. Dans un premier temps, un modèle biopuce enzymatique basé sur la détection électrochimiluminescente et permettant le dosage de métabolites sanguins est présenté.<br />Puis, un principe novateur d'immobilisation de biomolécules aboutissant à leur fixation covalente sur les réseaux conducteurs est présenté. Cette méthode directe impliquant les propriétés d'électro-adressage des sels de diazonium est caractérisée. Elle est alors utilisée afin d'électro-adresser des anticorps, et de réaliser des détections immunologiques. Une biopuce à oligonucléotide est également réalisée selon ce modèle. <br />L'électrodéposition d'or à la surface des électrodes ainsi que son effet sur l'électro-adressage et sur la détection chimiluminescente sont présentés.<br />Une troisième partie expose l'électro-adressage de biomolécules sur des surfaces d'or afin de réaliser des détections en imagerie par SPR.

Cette recherche s’inscrit dans le contexte de la conception d’une filière originale comprenant la phytoextraction du nickel par la plante hyperaccumulatrice Alyssum murale, endémique des sols de serpentine d’Albanie et de sa valorisation de ce nickel, l’objectif étant d’arriver à un produit à haute valeur ajoutée. Les sols de serpentine peuvent être considérés comme une ressource secondaire. Ils contiennent des concentrations élevées en nickel mais à des teneurs insuffisantes pour être exploités par l’industrie minière. La plante Alyssum murale peut extraire et concentrer le nickel dans ses tissus. Le nickel présent dans la biomasse a pu être solubilisé quasiment totalement à l’acide sulfurique, en réacteur fermé puis à contre-courant en trois étapes. Cette lixiviation a produit une solution contenant du nickel lié à des molécules organiques ainsi que d’autres métaux et composés organiques. Les procédés de raffinage directs comme la précipitation sélective ou l’électroplaquage n’ont pas permis d’isoler le nickel. Deux voies ont été explorées : (i) l’extraction par un solvant organique sélectif du nickel (Cyanex 272) suivie d’une contre extraction par une solution aqueuse et électrodéposition et (ii) la cristallisation d’un sel double à partir du lixiviat préparé après incinération de la biomasse. La première voie a permis d’obtenir le nickel métal sous forme de cathode, la seconde a conduit au sel double sulfate de nickel et d’ammonium. Les produits ont été caractérisés par différentes techniques. Une étude technico-économique a montré le fort potentiel économique de la production de sel double / This research has been done in the context of the design of an original method aiming at obtaining high added value products of nickel, combining phytoextraction and valorization. Phytoextraction is conducted with the hyperaccumulating plant Alyssum murale, endemic species of serpentine soils in Albania. Serpentine soils can be considered as secondary resources: they contain high concentrations of nickel, which are not high enough for conventional mining techniques. The plant Alyssum murale can extract and concentrate nickel in its tissues. Nickel present in the biomass could be almost totally solubilized in batch reactor and with a 3 step countercurrent process. This leaching produced a solution containing nickel bound to organic molecules and other metals and organic compounds as well. Direct separation processes (e.g. selective precipitation and electrowinning) did not enable us to obtain nickel. Two methods have been investigated: (i) extraction by an organic nickel –selective solvent (Cyanex 272), extraction by an aqueous solution and electrowinning and (ii) crystallization of a double salt, nickel ammonium sulfate, from a leaching solution obtained from biomass ashes. Nickel products were characterized by different techniques. A technico-economical study showed the high commercial potential of the double salt production.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.