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L’objectif de ces travaux est d’étudier les effets d’une irradiation ultrasonore haute fréquence (500 kHz) sur la synthèse électrochimique de polymères conducteurs en milieu aqueux. Les ultrasons favorisent la réaction de polymérisation électrochimique en augmentant le transport des espèces électroactives vers l’électrode. Ils engendrent des films plus compacts, présentant une topographie plus fine et plus homogène. Les effets chimiques engendrés par la propagation de l’onde acoustique permettent un meilleur taux de dopage des films. Néanmoins, leur conductivité électrique se trouve légèrement diminuée, dû à une dégradation des chaînes polymères par l’activité cavitationelle. La possibilité de contrôler les propriétés de morphologie fut mise à profit dans différentes applications comme celles des capteurs pH potentiométriques ou des revêtements anti-corrosion. Pour de telles applications, utilisant ces films en tant que couche fonctionnelle, les surfaces obtenues en présence d’irradiation ultrasonore mènent à de meilleurs résultats. Une technique de masquage sélectif à base d’ultrasons focalisés a également été développée afin d’élaborer un substrat biphasique laissant présager d’intéressantes applications biologiques / This study deals with the effects of high frequency ultrasound (500 kHz) irradiation on the electrochemical synthesis of conducting polymers in aqueous media. Ultrasound favors electrochemical polymerization reaction by improving mass transfer of electroactive species towards the electrode. It leads to films more compact, presenting a thinner and more homogeneous topography. Chemical effects generated by the acoustic wave propagation enable a higher doping level for the films. However, their electrical conductivity is slightly reduced, due to partial degradation of polymer chains by cavitational activity. The possibility to control morphological properties was used in different applications such as potentiometric pH sensors or anti-corrosion coatings. For such applications, using these films as functional layers, the irradiated coatings lead to better results. A selective masking technique, based on focused ultrasound, has been developed as well in order to elaborate a biphased substrate permitting interesting biological applications

En 2014, le réseau de pipelines à travers le monde est estimé à près de 3 500 000 km. Ces conduites en acier traversent plusieurs continents, régions, climats et donc différents types de sols. Elles sont protégées contre la corrosion externe par des revêtements et une protection cathodique. Néanmoins, il subsiste toujours un risque infime de dégradation de l’acier. Afin d’évaluer le risque de rupture d’une conduite, il est nécessaire d’étudier l’influence du sol sur la corrosion de l’acier nu non protégé composant cette conduite. Les paramètres régissant la corrosion des aciers dans les sols étant nombreux, nous nous sommes focalisés sur l’un des paramètres clés, à savoir « la teneur en eau » qui est directement reliée à d’autres paramètres très influents comme : l’aération ou taux d’oxygène, la résistivité du sol et la surface active. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux phénomènes se produisant lors de périodes transitoires de séchage/humidification de plusieurs types de sols : argileux, limoneux argileux et sableux. Une électrode multi-coupons a aussi été utilisée afin d’étudier les phénomènes liés à l’hétérogénéité de surface (formation de piles d’aération différentielle). Pour cela, différents coupons en acier provenant d’une conduite d’Air Liquide ont été enfouis pendant de longues périodes (4, 6 et 12 mois) dans différents types de sols. Les vitesses de corrosion sont estimées par électrochimie via la modélisation des courbes de voltammétrie autour du potentiel d’abandon. La surface active de l’électrode est estimée via la mesure de la résistance d’électrolyte par spectroscopie d’impédance électrochimique. Les échantillons sont ensuite analysés par micro-spectroscopie Raman, diffraction des rayons X et microscopie (optique, confocale et électronique à balayage) afin de déduire les mécanismes de corrosion de l’acier. Les résultats montrent, notamment, qu’en cas d’un fort taux d’humidité et d’une faible aération, les vitesses de corrosion sont très faibles (de l’ordre de 20 à 30 µm.an-1) mais atteignent 200 à 400 µm.an-1 lors des phases de séchage. La mesure de courants de couplage effectuée avec l’électrode multi-coupons ainsi que l’analyse de surface des coupons conventionnels ont confirmé la présence de piles d’aération différentielle et le caractère localisé de la corrosion. / In 2014, the pipelines network extended over 3500000 km worldwide. These pipes are passing through various continents, regions, areas and thus different types of soils. They are protected against external corrosion by coatings and cathodic protection. However, there is always a slight risk of carbon steel degradation. In order to evaluate the pipeline failure threat, it is necessary to study the influence of soil corrosion on the uncoated steel which composes this pipe. There are many parameters governing the steel corrosion in soils. We focused on one of the most important parameter “water content”. It is directly linked to other prominent parameters such as oxygen concentration, soil resistance and active area. In this thesis, we addressed the phenomena occurring at transitory periods of drying and remoistening in different types of soils : clayey, silt-loamy and sandy. A multi-coupon electrode was used as well in order to study the phenomena linked to surface heterogeneity (formation of differential aeration cells). For this aim, several steel coupons were buried in different types of soil for long periods (4, 6 and 12 months). The corrosion rates are estimated via electrochemical methods by fitting with a theoretical law the voltammetric curves acquired around the open circuit potential. The active area of the electrode was estimated via the determination of the soil electrolyte resistance by electrochemical impedance spectroscopy. Afterwards, the coupons were analyzed by micro-spectroscopy Raman, X-rays diffraction and microscopy in order to understand the corrosion mechanisms. Results showed that in case of very high moisture content and deaerated conditions, the corrosion rates were very weak (about 20 to 30 µm.yr-1) but reached 200 to 400 µm.yr-1 in the drying periods. The galvanic current measurements performed with the multi-coupon electrode and the surface analysis of the conventional electrodes both confirmed the presence of differential aeration cells and the localized nature of the corrosion.

Le but de cette thèse a été le développement de capteurs électrochimiques en flux, basés sur l'utilisation du feutre de graphite comme électrode de travail pour l'analyse pharmaceutique et environnementale du cuivre (II) et du zinc (II), deux métaux lourds essentiels pour l'homéostasie de l'organisme humain, mais toxiques en excès. Pour la détection des ions zinciques (II), une cellule d'analyse en flux, bien adaptée pour l'utilisation du feutre de graphite utilisé comme électrode de travail a été élaborée. Les conditions analytiques ont été optimisées et ont conduit à la détection du zinc (II) avec de bonnes sensibilités. Ces résultats montrent l'intérêt de réaliser en flux l'étape de pré-concentration pour augmenter la cinétique d'électrodéposition. Nous avons réalisé une étude complète sur une électrode en feutre de graphite modifiée par réduction d'un sel de diazonium, conduisant à la formation d'un film organique ayant une forte affinité pour les ions cuivriques. L'électrode modifiée combinée avec une étape de pré-concentration en flux permet la réalisation d'un capteur d'ions Cu2+ avec une grande sensibilité et une bonne sélectivité. Nous avons développé, aussi, un capteur électrochimique en flux pour l'analyse des traces d'ions cuivriques à l'aide d'une électrode en feutre de graphite modifiée avec un récepteur capable de complexer de façon sélective les ions de cuivre (II) dans des solutions aqueuses. Enfin, nous avons testé la détection électrochimique du cuivre (II) à l'aide d'électrodes modifiées bidimensionnelles, CPE et SPE. Les résultats préliminaires montrent une bonne capacité de ces électrodes pour la complexation et la détection des ions cuivriques (II). / The scope of this thesis was the development of flow electrochemical sensors, based on the use of graphite felt as a working electrode for the pharmaceutical and environmental analysis of zinc (II) and copper (II) ions, two heavy metals essential for the homeostasis of the human organism, but toxic if found in excess. For the detection of zinc (II) ions, a custom made flow cell was developed, well suited for the use of a graphite felt as working electrode in anodic stripping voltammetry analyses. The analytical conditions were optimized, leading to the detection of zinc with good sensitivities. These results prove the capacity of the preconcentration in flow to increase the kinetics of electrodeposition. A complet study on a graphite felt electrode modified by reduction of a diazonium salt, resulting in the formation of an organic film with high affinity for copper (II) ions was performed. The modified electrode combined with a flow preconcentration step allowed the achievement of a Cu2+ sensor with high sensitivity and good selectivity. We developed, also, a flow electrochemical sensor, allowing the analysis of traces of copper (II) ions, using a graphite felt electrode modified with a ligand proved to be able to selectively complex the copper (II) in aqueous solutions. Finally, we tested the electrochemical detection of zinc (II) and copper (II) ions by using modified bi-dimensional electrodes, CPE and SPE. Preliminary results show a good capacity of these modified electrodes for the complexation and detection of the copper (II) ions.

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Le domaine des nanotechnologies représente la thématique de recherche la plus importante de ce début de 21ème siècle. L’enjeu, bien que apparemment simple est de taille : réaliser des objets ou des structures fonctionnelles, les plus petits possibles et ce de manière reproductible, i.e. en maîtrisant leur taille, leur position. S’inscrivant dans cette problématique, ce travail de thèse porte sur le développement d’une technique originale d’assemblage dirigé de nanostructures à partir de particules d’or et d’argent sous forme de nanofils, nanocristaux, nanoanneaux et nanodisques sur des substrats rigides. Cette technique s’appuie sur une méthode purement chimique reconnue et basée sur la réduction colloïdale in situ de sels métalliques sur une surface. L’organisation bi ou tridimensionnelle de ces nanoparticules métalliques est, de plus, induite par une préstructuration du substrat réalisée par le dépôt d’un film mince de copolymères diblocs. En effet, l’auto-assemblage de films minces de copolymère permet de réaliser, par micro-séparation de phase à la paroi, un réseau bidimensionnel hexagonal de cylindres verticaux. La suppression d’une des phases du système permet de générer alors un film organique nanoporeux organisé sur le substrat qui va servir de masque et permettre d’assembler des nanoparticules métalliques lors d’une seconde étape. L’initiation du dépôt de nanoparticules métalliques dans les pores du masque a été réalisée sous ultravide en épitaxie par jets moléculaires ou par voie colloïdale en solution. La croissance finale (complète) des cristaux métalliques d’argent a été poursuivie enfin par voie colloïdale en solution. Les propriétés spectroscopiques, de mouillage et électrochimiques des structures nanoparticulaires étudiées dans ce travail ont été directement corrélées aux morphologies cristallines de surface. Une des perspectives de ce travail préliminaire est el développement d’une plateforme MEMS générique pour la détection de traces de plusieurs types de molécules (volatiles et réfractaires) par voie électrochimique. / Nanotechnology became one of the most important research field of the 21st century. Though seemingly simple, the challenge is huge: achieving the formation of the smallest objects or functional structures (in a reproducible manner) and being able to control acurately their sizes and positions, as well. Answering these demands, this thesis deals with the development of a novel technique focusing on the directed growth and assembly of metallic nanostructures onto rigid substrates. First, the combination of phase separation of a block copolymer leading to the formation of nanopores, and gold nanocolloids synthesis confined in the nanoholes, has allowed the facile fabrication of hexagonally arranged gold nanoparticles onto silicon wafer. Then, the in situ reduction of colloidal silver salts has lead to the selective growth of metallic crystals onto the rigid prepatterned substrate. The control of both the physical parameters of the patterning and the chemical synthesis ones has induced the formation of various microstructures metallic morphologies ranging from nanowires, nanocrystals, nanorings and nanodisks. Spectroscopic properties, wetting and electrochemical these nanoparticles structures were finally investigated and directly correlated with crystal surface morphologies. One of the perspectives of this preliminary work is the development of a MEMS generic platform allowing the electrochemical detection of trace of molecules (volatile or refractory).

L'électrochimie bipolaire est un phénomène basé sur la polarisation d'un objet conducteur soumis à un champ électrique. Contrairement à l'électrochimie conventionnelle, c’est la chute de potentiel en solution imposée par les deux électrodes sources qui permet de réaliser les réactions électrochimiques. Lorsqu'un objet conducteur est immergé dans une solution électrolytique et soumis à un champ électrique, il est polarisé et se comporte comme une électrode bipolaire. La différence de potentiel entre l'électrolyte et l'électrode bipolaire est la force motrice pour les réactions de réduction et d’oxydation promus aux deux extrémités de l'électrode bipolaire. L'oxydation se produira à l’une des extrémités, combinée simultanément avec la réduction à l'autre extrémité.L'électrochimie bipolaire est une technique d’adressage sans fil qui permet de générer une réactivité électrochimique asymétrique à la surface d'un objet conducteur. Au cours de la dernière décennie, l'électrochimie bipolaire a trouvé de nombreuses applications telles que la synthèse de micro- et nanoparticules asymétriques, l'électrodéposition, la détection, la propulsion de micro-objets, etc. L'avantage de cette technique repose sur le mode d’adressage sans fil qui peut être utilisé pour modifier des matériaux fragiles sans contact ou encore pour modifier simultanément un ensemble de particules en même temps.Dans la présente thèse, l'électrochimie bipolaire a été appliquée à différents matériaux semi-conducteurs et systèmes biologiques. De plus, les nouvelles propriétés générées sur ces nouveaux substrats ont été étudiées en utilisant diverses techniques de caractérisation.L'électrodéposition bipolaire est un outil de choix pour la génération d'objets asymétriques. En utilisant cette approche, un dépôt de métal a été réalisé sur substrats organiques de type complexes de transfert de charge. Ces nouveaux matériaux hybrides métal/organique se sont révélés de bons candidats pour la génération asymétrique de photo-voltage sous illumination.Un matériau semi-conducteur inorganique, tel que les dichalcogénures de métaux de transition a également été utilisé comme substrat pour l'électrochimie bipolaire. Différents dépôts de métaux ont été réalisés sur les macro-particules de MoSe2. Les dichalcogénures de métaux de transition sont également connus pour leur activité électrocatalytique, notamment pour la réaction d'évolution de l'hydrogène. La production d'hydrogène sans fil sur des cristaux de MoSe2 a également été réalisée par électrochimie bipolaire. De plus, l'électrochimie bipolaire peut être utilisée avec une suspension de microparticules de MoSe2 pour réaliser une électrolyse quantitative d’une solution contenant une espèce chimique oxydable.Enfin, l'électrochimie bipolaire pourrait également être utilisée pour étudier indirectement la conductivité de molécules biologiques telles que l’ADN. L'objectif principal était de développer une méthode en électrochimie bipolaire pour la modification asymétrique de l'ADN par des nanoparticules métalliques. Tout d'abord, des expériences ont été réalisées en utilisant l'électrodéposition bipolaire à l’aide d’une électrophorèse capillaire (CABED) suivie d'une imagerie par TEM. Des résultats positifs ont été obtenus mais avec une faible reproductibilité.La seconde approche consiste à étirer des molécules d'ADN sur une surface isolante par peignage et à visualiser cette fois-ci les dépôts par microcopie AFM. / Bipolar electrochemistry is a phenomenon based on the polarization of conductive objects in an electric field. In contrast to conventional electrochemistry, the drop of potential in the electrolyte solution triggers the involved redox reactions. When a conductive object is positioned in an electric field present in a solution between two feeder electrodes, it is polarized and becomes a bipolar electrode. The potential difference between the electrolyte and the bipolar electrode is the driving force for reduction/oxidation reactions at the two extremities of the bipolar electrode; oxidation will occur at one end, combined simultaneously with reduction at the other end.Bipolar electrochemistry is a concept that allows generating an asymmetric reactivity at the surface of a conductive object. During the last decade, bipolar electrochemistry found many applications such as the synthesis of asymmetric micro- and nano-particles, electrodeposition, sensing, propulsion of microobjects, electroanalysis etc. The advantage of this technique is its wireless character, which allows the modification of delicate materials and also to electrochemically address many objects simultaneously.In the present thesis, the approach was applied to different semiconducting materials and biological systems. In addition, properties of substrates of different nature have been studied using bipolar electrochemistry.In this way, it was possible to create metal deposits on organic charge transfer salts in a site-specific way. The resulting hybrid metal/organic particles were tested for the asymmetric generation of photovoltage under illumination.Inorganic transition metal dichalcogenides were also used as a substrate for bipolar electrochemistry. Deposition of different metals on MoSe2 macroparticles was performed. Transition metal dichalcogenides are known for their catalytic activity with respect to hydrogen evolution reaction. Therefore, wireless hydrogen production on MoSe2 crystals and microparticles could be demonstrated by using bipolar electrochemistry. In the latter case it is possible to envision their use for electrochemical decontamination of solutions in the bulk.Finally, bipolar electrochemistry has also been used for studying the conductivity of biological molecules (DNA). The primary goal was to develop a new approach for the asymmetric modification of DNA by metal nanoparticles. Experiments were performed by using either Capillary Assisted Bipolar Electrodeposition (CABED) with the DNA molecules present in the bulk, or by immobilizing DNA as stretched entities on model surfaces for subsequent modification. Encouraging first results could be evidenced by TEM or AFM measurements.

Dans cette thèse, le concept d’électrochimie bipolaire qui permet de réaliser des réactions électrochimiques par l’application d’un champ électrique, sur un objet conducteur placé dans une solution électrolytique sans aucun contact avec les électrodes, a été utilisé pour générer des objets Janus possédant une partie organique et une partie inorganique. Comme preuve de principe, des billes de carbone vitreux de taille micrométrique ont été modifiées de manière asymétrique par électrochimie bipolaire en réduisant un sel d’aryl diazonium. La couche organique ainsi greffée a pu être observée après interaction avec des nanoparticules d’or, ou des molécules fluorescentes. Les résultats ont montré que la moitié de la surface des billes a pu être modifiée de manière sélective et avec une grande précision. En ajustant le temps et/ou le champ électrique utilisé pour la réduction du sel de diazonium, la surface greffée peut être modulée. Ce concept a été généralisé à l’échelle nanométrique sur des nanotubes de carbone alignés verticalement. Ces nanotubes de carbone ont été préparés par un dépôt chimique en phase gazeuse en utilisant un template d’oxyde d’aluminium poreux. L’électrogreffage bipolaire d’une couche organique uniquement sur une extrémité des nanotubes et uniquement sur la face interne de ces tubes, a été possible en conservant les nanotubes piégés dans le template d’oxyde d’aluminium. Cette technique ouvre donc la voie d’applications dans le domaine des piles à combustible, des bio-capteurs, et également pour la délivrance contrôlée de médicaments. / In this thesis, the concept of bipolar electrochemistry, which allows carrying out electrochemical reactions on a free-standing conductive object in an electric field, was employed to generate Janus-type objects with a hybrid organic-inorganic composition. As a proof-of-concept micrometer-sized glassy carbon beads were modified asymmetrically via the bipolar electrochemical reduction of aryl diazonium salts. The grafted organic layers can be probed either with gold nanoparticles (AuNPs) or with fluorescent molecules. The results show that one-half sphere of the beads was modified selectively and with high precision. This concept was then generalized to vertically aligned carbon nonotubes (VACNTs). They were prepared via chemical vapor deposition using porous anodic aluminum oxide (AAO) as template. The bipolar electrografting of an organic layer onto the inner surface of the VACNTs was performed by using the tubes that were still embedded in the pores of the AAO membrane as the starting material. The grafted results can be visualized by coupling them with AuNPs. After the AAO removal, the results reveal a grafting of organic layers only at one end of the tubes along the inner wall. For both cases, fine tuning of the deposition time and/or the electric field used for the reduction of diazonium salts can control the geometric area of the grafting. This technique opens up applications of these objects in the fields of controlled drug delivery and storage.

Le composite LiF-Cu fonctionnant selon la réaction de conversion : Cu + 2 LiF →CuF2 + 2 Li+ + 2 e- a été synthétisé afin d’être étudié comme matériau d’électrode positivepour batterie au lithium. Pour faire réagir ces phases à l’état solide, les îlots de LiF nedoivent pas excéder quelques nanomètres et la percolation électrique dans l’épaisseur doitêtre établie. La technique retenue pour obtenir cette nanostructuration est la co-pulvérisationcathodique RF alternée. Afin de contrôler la synthèse du nanocomposite, la vitesse de dépôtet le flux d’adatomes pour chaque matériau ont été mesurés par profilométrie et ICP-OES.Leur composition et leur morphologie ont été caractérisées par microscopie électronique(SEM, TEM, STEM, HRTEM, AFM), diffraction (XRD, SAED) et spectroscopie (EELS, XPS).Les résultats ont montré que la morphologie obtenue était bien faite d’îlots nanométriques deCu et de LiF. La conductivité électrique du nanocomposite est de 5 ordres de grandeursupérieure à celle du LiF seul. Des premiers tests en batterie ont montré une fortepolarisation typique des matériaux de conversion et une faible cyclabilité. / The LiF-Cu nanocomposite reacting through the conversion reaction: Cu + 2 LiF→ CuF2 + 2 Li+ + 2 e- has been synthesized in order to be studied as positive electrodematerial for lithium battery. In order to perform this reaction in the solid state, the size of theLiF islands mustn't exceeds a few nanometers an the electric percolation through thethickness must be achieved. The technique used to obtain this nanostructuration is thealternated RF co-sputtering. In order to control the nanocomposite synthesis, the rate ofdeposition and the adatoms flux for each material have been measured using profilometryand ICP-OES. Their composition and morphology have been characterised by electronicalmicroscopy (SEM, TEM, STEM, HRTEM, AFM), diffraction (XRD, SAED) and spectroscopy(EELS, XPS). Results have shown that the morphology was indeed made of nanometricislands of Cu and LiF. The nanocomposite electric conductivity is 5 order of magnitudehigher than the LiF one. The first tests have shown a high polarization typical of conversionmaterials and a poor cyclability.

Le développement de nouvelles méthodologies de synthèse douces et soucieuses de l'environnement apparait de nos jours comme un véritable besoin. Dans ce contexte, la chimie radicalaire permet de réaliser une grande variété de réactions grâce à des initiations douces (électrochimique ou photochimique). Les indoles tétracycliques et les molécules gem-difluoroacylées étant présent dans de nombreux composé d'intérêt thérapeutique, sont des cibles pertinentes pour le développement de méthodes de synthèse radicalaire. Des indoles tétracycliques 3,4-fusionnés ont été synthétisés par Substitution Radicalaire Nucléophile Unimoléculaire (SRN1). Connue depuis les années 1960, la réaction SRN1 permet de réaliser des réactions de couplages entre un nucléophile et un accepteur d'électrons par un processus radicalaire. D'autre part, des indoles tétracycliques gem-difluoroacylés ont été synthétisés par cyclisation radicalaire tandem, initiée par catalyse électrochimique et photoredox. La catalyse photoredox, similaire à la catalyse électrochimique a connu un essor depuis sa redécouverte à la fin des années 2000. Elle est basée sur l'emploi d'un photocatalyseur qui peut être excité sous irradiation visible pour devenir oxydant ou réducteur / The development of new, soft and ecofriendly synthetic methodologies is today a real need. In this context, radical Chemistry allows to make a wide diversity of reactions thanks to soft initation steps (electrochemical or photochemical). Tetracyclic indoles and gem-difluoroacyles molecules, present in a lot of therapeutic compounds, appeared as relevant targets. 3,4-fused tetracyclic indoles, had been synthesized by Unimolecular Nucleophilic Radical Substitution (SRN1). Since the 1960s, SRN1 reaction allows coupling reactions between a nucleophilic species and a radical acceptor to be performed. On the other hand, gem-difluoroacyles tetracyclic indoles had been synthesized by tandem radical cyclisation initiated by electrochemical and photoredox catalysis. Since its rediscovery by the end of the 2000s, photoredox catalysis, similar to electrocatalysis, had seen an increasing interest. Photoredox catalysis is based on the use of a photocatalyst that become an oxidant or a reductant under visible irradiation