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Ce mémoire portant sur le développement de liquides ioniques protiques à l'état liquide à température ambiante en tant qu'électrolytes pour des supercapacités faradiques à base de dioxyde de ruthénium est divisé en trois études distinctes. La première permet d'évaluer quelles propriétés de ces sels fondus doivent être optimisées pour cette application en utilisant les données recueillies avec une série de nouveaux liquides ioniques protiques constitués de l'acide trifluoroacétique et différentes bases hétérocycliques azotées. La seconde discute de l'effet d'impuretés colorées sur les propriétés des liquides ioniques ainsi que sur des aspects pratiques devant être pris en considération lors des synthèses. La troisième traite d'importantes relations structure–propriétés pour une série de liquides ioniques protiques ayant des cations du type pyridinium et différents anions. Dans leur ensemble, les travaux présentés devraient permettre une recherche plus efficace de liquides ioniques avec des propriétés désirables en vue d'application comme électrolyte dans le futur. / This thesis on the development of room temperature protic ionic liquids as electrolytes in ruthenium-dioxide based faradaic superpacitors consists of three separate studies. The first one establishes which properties of molten salts need to be optimized for this application by using the data obtained from the analysis of a series of protic ionic liquids composed of trifluoroacetic acid and N-heterocyclic bases. The second study elaborates on the effect of colored impurities on the properties of ionic liquids and also reports practical aspects which need to be accounted for during their synthesis. The third study focuses on important structure–property relationships for a series of protic ionic liquids with pyridinium cations and various anions. Altogether, the results presented in here should allow a more efficient design of ionic liquids with desirable properties for application as electrolytes in the future.

Les supercapacités hybrides se taillent de plus en plus une place dans le secteur des énergies renouvelables. L’oxyde de manganèse possède certaines caractéristiques (faible coût, caractère écologique et une capacitance spécifique supérieure) qui font de ce dernier un matériau très attirant pour l’assemblage de tels dispositifs. Ce mémoire, divisé en trois parties, propose l’utilisation des liquides ioniques protiques comme électrolytes pour l’assemblage de supercapacités hybrides à base d’oxyde de manganèse et carbone. D’abord, le comportement pseudocapacitif des électrodes à base de films minces d’oxyde de manganèse dans les liquides ioniques protiques ainsi que leurs propriétés optiques sont étudiés et évalués. Des valeurs de capacitance spécifique allant jusqu’à 397 F/g ont été trouvées dans cette partie. Ensuite, des mélanges composés par un solvant organique (acétonitrile) et le liquide ionique protique sont présentés comme une manière de contourner la faible conductivité de ce dernier qui limite les valeurs de capacitance spécifique à obtenir. Une amélioration de la capacitance spécifique d’environ 30% est reportée dans ce chapitre. Finalement, l’assemblage d’une supercapacité hybride est présenté comme une stratégie efficace qui permet l’élargissement de la faible fenêtre de potentiel de travail obtenue avec les électrodes à base d’oxyde de manganèse. De cette façon, la faisabilité de tel arrangement est montré ici, obtenant de valeurs de capacitance spécifique (16 F/g) ainsi que de puissance (81 W/kg) et d’énergie spécifique (1,9 Wh/kg) acceptables en utilisant des liquides ioniques protiques comme électrolytes de remplissage. / Hybrid supercapacitors continue to carve out a place in the field of renewable energies. Manganese dioxide, because of some attractive characteristics (low cost, environmental friendly and high specific capacitance), is a very promising material for the assembly of such devices. This thesis, divided into three chapters, proposes the use of protic ionic liquids as electrolyte for the assembly of a manganese dioxide/carbon based hybrid supercapacitor. Firstly, the pseudocapacitive behaviour and optical properties of thin manganese dioxide based electrodes in protic ionic liquids were investigated and evaluated. Specific capacitance values of up to 397 F/g are reported in this part. Then, mixtures of an organic solvent (acetonitrile) and protic ionic liquids were proposed in order to enhance the poor conductivity of ionic liquids, which limits the specific capacitance values. A 30% improvement of specific capacitance values is shown in this chapter. Finally, the assembly of a hybrid supecapacitor is presented as an alternative strategy to increase the narrow potential window of stability of manganese dioxide electrodes in our protic ionic liquids. The last chapter describes such a device as well as its specific capacitance (16 F/g), energy (1.9 Wh/kg) and power density (81 W/kg) values obtained in protic ionic liquids.

One of the oldest goals across the science is to watch atoms undergo reactions in real time. However, such observations are only meaningful if the object of interest is looked at in its natural environment. For most biological and materials sciences samples, this means in solution phase or dispersed in a liquid. Unfortunately, this restriction normally prohibits either reaching atomic spatial (10-10m) or ultrafast time (10-15sec) resolution. Here, two sample preparation techniques are shown providing a natural environment for experiments with high spatial and temporal resolution: a nanofluidic cell for electron microscopy, and a chip for serial time resolved x-ray crystallography. The nanofluidic cell was implemented into different transmission electron microscopes, and in initial experiments, the key features of the sample cell are shown, namely the ability to create stable ultrathin liquid layers of tuneable thickness within the harsh electron microscope vacuum. The option to directionally flow liquid through the sample cell opens the door to high throughput electron microscopy and on-the-fly sample exchanges with the option of triggering and influencing chemical reactions with external sample control. First applications highlight the impact of the nanocell: structural disintegration of gold nanorods exemplary for materials science, and amyloid fibrils, exemplary for biomedical applications. In future applications diffractive imaging with high time resolution is planned, and will complement the range of experiments within the fields of traditional transmission electron microscopy. The second half of this thesis presents a solid target for x-ray crystallography. The chip enables the arrangement of thousands of micrometer sized protein crystals in a regular array. The ability to prepare protein crystals in such a fashion is unique and permits serial in situ crystallography. Real time crystallography requires samples to be mounted in a saturated natural environment, i.e. under ambient pressure and temperature conditions. The crystallography chip fills this need while being easily integrated into a synchrotron beam line. In a first set of experiments, the chip design was refined and could prove functionality for static in situ structure analysis of protein systems. Based on this success, future time resolved experiments are under way and will show the full capability of this device.

Doctor of Philosophy / Department of Chemistry / Jun Li / Nanostructured electrode materials for electrochemical energy storage systems have been shown to improve both rate performance and capacity retention, while allowing considerably longer cycling lifetime. The nano-architectures provide enhanced kinetics by means of larger surface area, higher porosity, better material interconnectivity, shorter diffusion lengths, and overall mechanical stability. Meanwhile, active materials that once were excluded from use due to bulk property issues are now being examined in new nanoarchitecture. Silicon was such a material, desired for its large lithium-ion storage capacity of 4,200 mAh g[superscript]-1 and low redox potential of 0.4 V vs. Li/Li[superscript]+; however, a ~300% volume expansion and increased resistivity upon lithiation limited its broader applications. In the first study, the silicon-coated vertically aligned carbon nanofiber (VACNF) array presents a unique core-shell nanowire (NW) architecture that demonstrates both good capacity and high rate performance. In follow-up, the Si-VACNFs NW electrode demonstrates enhanced power rate capabilities as it shows excellent storage capacity at high rates, attributed to the unique nanoneedle structure that high vacuum sputtering produces on the three-dimensional array. Following silicon’s success, titanium dioxide has been explored as an alternative highrate electrode material by utilizing the dual storage mechanisms of Li+ insertion and pseudocapacitance. The TiO[subscript]2-coated VACNFs shows improved electrochemical activity that delivers near theoretical capacity at larger currents due to shorter Li[superscript]+ diffusion lengths and highly effective electron transport. A unique cell is formed with the Si-coated and TiO[subscript]2-coated electrodes place counter to one another, creating the hybrid of lithium ion battery-pseudocapacitor that demonstrated both high power and high energy densities. The hybrid cell operates like a battery at lower current rates, achieving larger discharge capacity, while retaining one-third of that capacity as the current is raised by 100-fold. This showcases the VACNF arrays as a solid platform capable of assisting lithium active compounds to achieve high capacity at very high rates, comparable to modern supercapacitors. Lastly, manganese oxide is explored to demonstrate the high power rate performance that the VACNF array can provide by creating a supercapacitor that is highly effective in cycling at various high current rates, maintaining high-capacity and good cycling performance for thousands of cycles.

Les matériaux énergétiques résiduels de l’entraînement militaire peuvent être dommageables pour la santé publique et pour l’environnement. Des critères environnementaux existent pour chacun de ces contaminants qui doivent être respectés afin d’assurer la qualité des eaux et des sols. Ainsi, à proximité des bases militaires, leur concentration respective doit être constamment sondée afin de respecter ces limites. Cependant, comme les méthodes de mesure actuelles sont compliquées et longues, elles ne permettent pas de suivre réellement ces concentrations. L’intérêt envers des capteurs usant de résonance de plasmons de surface (SPR) a grandement crû au cours des dernières décennies grâce à leur haute sensibilité et la rapidité de mesure. Les liquides ioniques polymériques à empreinte moléculaire représentent une nouvelle classe de polymères prometteuse qui pourrait permettre une approche novatrice et adaptable pour l’extraction de contaminants organiques dans l’eau. Ces polymères combinent les propriétés extractrices des liquides ioniques et la sélectivité adaptable des polymères à empreinte moléculaire (MIP). Le monomère de liquide ionique peut être conçu pour obtenir des interactions optimales avec l’analyte. De plus, les MIPs ont l’avantage d’être hautement modulables : le simple changement de l’empreinte utilisée lors de sa polymérisation conduisant à une nouvelle sélectivité, d’où le potentiel prometteur de la méthode présentée. Différents MIPs à base de liquide ionique ont été utilisés pour fonctionnaliser des surfaces d’or pour tester, via la SPR, leur capacité à quantifier le cyclotriméthylènetrinitramine (RDX). Les résultats obtenus montrent que ces MIPs présentent un bon effet d’empreinte. Cependant, quelques problèmes persistent concernant la reproductibilité de la fonctionnalisation des surfaces d’or. Les résultats semblent toutefois montrer que cette combinaison de liquides ioniques polymériques à empreinte moléculaire avec l’analyse par SPR est une alternative prometteuse pour la détection et la quantification de contaminants présents en quantité dans l’ordre du picomolaire. / Energetic material residues from military training munition are potentially harmful and need to be constantly surveyed in order to never exceed the environmental criterion. Yet, current methods are tedious and fail to provide real-time concentration of these contaminants. Surface plasmon resonance (SPR) based sensors have gained high interest in the past decade due to their great sensitivity and the possibility of rapidly assessing samples. Molecularly imprinted polymeric ionic liquids are a promising new class of polymer that could bring a novel and adaptable approach for selective extraction of organics in water. They combine the ionic liquid’s extraction properties to molecularly imprinted polymer’s (MIP) tunable selectivity. The ionic liquid monomer is designed for optimal interaction with the energetic material, as its anion greatly affects he monomer’s solubility and interaction. Chemically, MIPs have the great advantage of being very versatile. In other words, changing the template is enough to modify the MIP’s selectivity. Hence, the potential of the method presented here is highly promising. Various molecularly imprinted polymeric ionic liquids grafted on gold thin films have been tested via SPR for the quantification of energetic materials. The results show that the molecularly imprinted polymers film displayed good imprinting effect. Yet there still are issues concerning the reproducibility of the gold’s surface functionalization. The results in the following experiments suggested that a combination of SPR sensing with molecularly imprinted polymeric ionic liquids is a promising alternative method for subnanomolar detection of energetic materials in aqueous media.

Doctor of Philosophy / Department of Chemical Engineering / Keith L. Hohn / Vanadium phosphorous oxide (VPO) is traditionally manufactured from solid vanadium oxides by synthesizing VOHPO[4subscript][dot in middle of line]0.5H[2subscript]O (the precursor) followed by in-situ activation to produce (VO)[2subscript]P[2subscript]O[subscript]7 (the active phase). These catalysts considerably improve their performance when prepared as nanostructured materials and this study discusses an alternative synthesis method based on sol-gel techniques capable of producing nanostructured VPO. Vanadium(V) triisopropoxide oxide was reacted with ortho-phosphoric acid in tetrahydrofuran (THF). This procedure yielded a gel of VOPO[4subscript] with interlayer entrapped molecules. The gels were dried at high pressure in an autoclave with controlled excess and composition of THF-2-propanol mixtures. The surface area of the obtained materials was between 50 and 120 m[2superscript]/g. Alcohol produced by the alkoxide hydrolysis and incorporated along with the excess solvent reduced the vanadium during the drying step. Therefore, after the autoclave drying, the solid VOPO[4subscript] was converted to the precursor; and, non-agglomerated platelets were observed. Use of additional 2-propanol increased the amount of precursor in the powder but reduced its surface area and increased its crystallite size. In general, sol-gel prepared catalysts were significantly more selective than the traditionally prepared materials, and it is suggested that the small crystallite size obtained in the precursor influenced the crystallite size of the active phase increasing their selectivity towards maleic anhydride. The evaluation of these materials as catalysts for the partial oxidation of n-butane at 673 K under mixtures of 1.5% n-butane in air yielded selectivity of 40% at 50% conversion compared to 25% selectivity at similar level of conversion produced by the traditionally prepared catalysts. Variations in the catalytic performance are attributed to observed polymorphism in the activated materials, which is evidenced by remarkable differences in the intrinsic activity. All precursors and catalysts were characterized by IR, XRD, SEM and BET, and the products of the catalytic tests were analyzed by GC.

Des millions de patients souffrant d’insuffisance cardiaque bénéficieraient d’analyses sanguines hebdomadaires pour surveiller l’évolution de leur état de santé comme c’est le cas avec les personnes atteintes du diabète. Cependant, il n’existe pas de technologies d’analyses sanguines rapides et efficaces pour détecter des marqueurs d’insuffisance cardiaque, telle que la créatinine, la NT-proBNP et la troponine I par exemple. La possibilité pour les patients de surveiller leurs taux de créatinine régulièrement, du confort de chez soi, améliorerait largement leur qualité de vie ainsi que leur taux de survie. En suivant leur taux de créatinine, le patient pourrait prédire des signes d’insuffisance cardiaque, et ainsi faire ajuster leur plan de traitement en conséquence. Pour y arriver, les biocapteurs électrochimiques, dont un exemple est le glucomètre, représentent une classe prometteuse de dispositifs d’analyse sanguine puisqu’ils sont faciles à utiliser, rapides, peu coûteux, sensibles, stables et potentiellement universels. Les biocapteurs électrochimiques à base d’ADN pourraient potentiellement être adaptés en biocapteur de créatinine, par l’entremise d’aptamères. Le but de cette recherche est de développer un nouveau mécanisme de détection universel et efficace pouvant être adapté directement à partir des stratégies de sélection des aptamères. Pour ce faire, nous avons identifié et caractérisé un élément de bioreconnaissance sélectif pour la créatinine. Ensuite, nous avons conçu une nouvelle stratégie de détection et nous avons validé cette nouvelle stratégie par spectroscopie de fluorescence avant de l’adapter pour une détection électrochimique. Par la suite, nous avons optimisé les performances du biocapteur en modulant des paramètres analytiques tels que sa gamme linéaire et son gain de signal, tout en validant ses performances dans une matrice complexe comme le sérum. Les résultats de cette recherche suggèrent que la stratégie de conception du nouveau biocapteur électrochimique à base d’aptamère est prometteuse pour la détection efficace de biomarqueurs sanguins. Ce type de mécanisme pourrait être facilement adapté pour détecter d'autres molécules cliniquement pertinentes en modifiant simplement la stratégie de sélection de l'aptamère. / Millions of patients suffering from heart failure would greatly benefit from weekly blood analysis to help them manage their disease state like patients suffering from diabetes. However, no simple blood monitoring technologies detecting heart failure biomarkers, such as creatinine, NT-proBNP, and troponin I, are available. The ability to determine and regularly monitor the creatinine level in the home setting would greatly improve the patient’s quality of life and survival rate. Knowing the concentration of creatinine help to predict heart failure and to revise the treatment plan if the concentration of creatinine is abnormal. To achieve this, electrochemical sensors, like a glucometer, represent a promising class of blood analysis devices due to their ease of use, fast response, low cost, inherent sensitivity and stability, and potential universality. More specifically, DNA-based electrochemical biosensors could potentially be adapted into a creatinine sensor by using aptamers specific to a biomarker. To achieve this goal, we identified a selective biorecognition element for creatinine detection and characterized it. We also designed a novel sensing aptamer-based strategy and validated this strategy by fluorescent spectroscopy before transposing it into the electrochemical format. We then optimized the performance of the sensor by tuning its signal gain and characterizing the dynamic range while also validating its performance in serum. The results of this work suggest that the electrochemical aptamer-based strategy represents a promising sensing mechanism. We believe this mechanism could be easily adapted to detect other clinically relevant molecules by simply relying on the aptamer’s selection strategy.

La structure spécifique des nanotubes rend ce matériau très intéressant dans l’élaboration de nanohybrides. La cavité interne des nanotubes permet l’encapsulation de molécule laissant la paroi externe libre pour une fonctionnalisation. Les nanotubes de carbone sont déjà bien connus pour l’élaboration de nanosondes Raman. Les molécules de colorants encapsulé dans leurs cavité interne sont protégées de l’irradiation du laser. Les propriétés électroniques de cette structure en carbone permettent le transfert d’énergie entre le colorant et le nanotube engendrant ainsi une extinction de la fluorescence du colorant. La surface du nanotube de carbone est libre pour réaliser des fonctionnalisations permettant de modifier certaines propriétés de la nanosonde. L’élaboration de nanohybride à partir de cette structure permet les analyses de « multiplexage » en changeant simplement le colorant encapsulé dans la cavité interne du nanotube et la fonctionnalisation en surface. La structure des nanotubes de nitrure de bore (BNNTs) est très similaire à celle de leurs homologues en carbone. La cavité interne permet également l’encapsulation de colorant cependant les propriétés électroniques résultantes de cette structure ne permet pas le transfert d’énergie. Les molécules de colorant encapsulé dans les BNNTs conservent donc leurs fluorescences. Des études précédentes démontrent qu’après encapsulation, le spectre de fluorescence du colorant α-sexithiophène (6T) est élargi et décalé vers les longueurs d’ondes plus grandes, c.-à-d. vers le rouge. L’hypothèse la plus probable, quant à la raison de ce phénomène, est que la grande distribution de taille de diamètre de l’échantillon de BNNTs permet différentes agglomérations de 6T. Les nanosondes résultantes sont composées d’un mélange d’agglomération de colorant absorbant à différentes longueurs d’onde. Afin de confirmer cette hypothèse, nous allons procéder au triage en taille de diamètre des BNNTs. Pour cela, plusieurs étapes sont nécessaires, comme la fonctionnalisation de la surface des BNNTs pour les rendre dispersible dans l’eau, l’encapsulation du colorant de 6T selon un protocole déjà connus dans la littérature et enfin le test d’une méthode de triage de nanotubes en fonction de leurs diamètres et donc de leurs densités. La méthode de triage sélectionnée parmi les méthodes découvertes dans la littérature, a démontré son efficacité sur les nanotubes de carbone mais n’a cependant jamais été testée sur les BNNTs. Ce mémoire présente les premiers résultats d’une séparation de nanosondes fluorescentes en fonction de leurs tailles de diamètre. / The specific structure of nanotubes is interesting for the synthesis of nanohybrides. Molecules are encapsulated in the internal cavity of the tube while the external wall remain free for further manipulation. Carbon nanotubes are already known for synthesizing Raman nanoprobes. Dyes encapsulated inside the nanotube are protected from irradiation. The electronic properties of the carbon structure lead to energy transfer between the dyes and the nanotubes, this result by the the extinction of the dye’s fluorescence. The carbon nanotube’s surface is free for functionalisation that can add some properties to the nanoprobe. The preparation process of nanohybrides with that structures permit some analyse in « multiplexing » by easily change the dye encapsulated or the functionalisation on the surface of the nanotube. The structure of boron nitride nanotubes (BNNTs) is similar to the carbon one. The internal cavity can encapsulate dyes but the electronic properties don’t permit the energy exchange. Encapsulated dyes inside BNNTs emit some fluorescence. Previous studies show some changes in the fluorescence spectrum of α-sexithiophene (6T) after encapsulation inside BNNTs. The spectrum shows larger bands and a red shift. This caracteristic can come from a large distribution of diameter sizes in the BNNT sample. Différent diameter sizes of nanotubes results in different agglomeration of dyes inside their internal cavities, and these differents nanoprobes are absorbing at different wavelengths. To confirm this hypothesis, we will separate BNNTs into their diameter sizes. Before that some manipulation is necesary, like the functionnalisation of the nanotubes’ surfaces for a better dispersion in water, the encapsulation of 6T realized with the process already known and the experience of a new method to separate nanotubes by size. This separating method is chose from all the method of separating carbon nanotubes but has never been tested on BNNTs. This document shows the first results of separating fluorescents nanoprobes by diameter size.

Thèse en cotutelle (avec l'Université Toulouse 3 - Paul Sabatier) en Science des matériaux et Electrochimie / Avec le développement des systèmes électroniques embarqués se pose la question de la miniaturisation des dispositifs de stockage d’énergie. De nos jours, cette fonction est principalement assurée par des micro-batteries. Ces composants possèdent cependant une faible puissance disponible, une durée de vie limitée et un domaine de fonctionnement en température restreint. Les “micro-supercondensateurs” sur puce permettraient de s’affranchir de ces limitations, mais ils ne sont aujourd’hui qu’au stade de la recherche universitaire avec des densités d’énergie bien inférieures à celles des micro-batteries. L’énergie et la puissance stockées dans un supercondensateur sont proportionnelles au carré de la fenêtre de potentiel, qui dépend elle-même de la stabilité électrochimique de l’électrolyte utilisé. L’électrolyte joue ainsi un rôle prépondérant sur les propriétés des supercondensateurs (tension, gamme de température, courant de fuite, durée de vie…). Cette thèse vise à développer des liquides ioniques protiques et aprotiques dédiés aux micro-supercondensateurs pseudocapacitifs à base d'oxydes métalliques (RuO2, MnO2). Les électrolytes à base de liquides ioniques présentent des propriétés intéressantes, notamment une faible pression de vapeur saturante, une stabilité aux hautes températures, ainsi qu’une large fenêtre de potentiel. Ils contribuent ainsi à améliorer la densité d’énergie surfaciques, principal problème rencontré par les micro-supercondensateurs actuels. Les liquides ioniques étudiés ont été conçus sur la base de leurs structures et leurs propriétés physico-chimiques. Des caractérisations électrochimiques ont été réalisées avec des micro-supercondensateurs à base d’oxyde de ruthénium et d’oxyde de manganèse. De très bonnes performances ont été obtenus en utilisant des collecteurs de courant poreux à grande surface spécifique. Les électrolytes liquides constituant cependant un verrou technologique à la réalisation de micro-supercondensateurs fonctionnels compatible avec les procédés de microfabrication, des ionogels composés d’une matrice solide dans laquelle a été confinée le liquide ionique ont également été réalisés. / The rising growth of smart and autonomous microelectronic devices in the IoT (Internet of Things) era urges the development of advanced microscale energy sources with tailor-made features and customized energy/power requirements. Micro-supercapacitors (MSCs) emerged as potential energy storage devices complementing micro-batteries to power ubiquitous sensor networks needed to foster the development of IoT. However, the low cell voltage and low energy density remain major bottleneck that prevents their application at a large scale in real devices. To mitigate this issue, several studies have been devoted to the engineering of MSC electrode materials and structural architecting of current collectors to enhance the surface area and areal energy density by considering the limited available footprint area. This, however, has associated challenges such as a complex synthesis route, poor interfacial and mechanical stability of the electrode, and electrolyte compatibility issues, among others. Another key challenge to solve for reaching high energy density values in MSCs is the limited electrochemical stability window (ESW) of the electrolytes used as energy stored is directly related to the square of the cell voltage. The electrolytes play a major role in deciding the ESW and liquid-state electrolytes commonly used are troublesome for the microfabrication process due to leakage, evaporation, and safety issues. Therefore, it’s imperative to develop alternative electrolytes including solid-state electrolytes reconcilable to the target application of MSCs. This thesis aims at developing novel ionic-liquid (IL)-based electrolytes (both protic and aprotic) suitable for pseudocapacitive metal oxide (e.g., RuO2, MnO2)-based micro-supercapacitors (MSCs). IL-based electrolytes exhibit key properties including low vapor pressure, high temperature stability, low melting point, etc. with a wide ESW and help improve energy density performance, overcoming the major bottleneck faced by current MSCs. During this project, ILs are rationally designed based on their physicochemical properties. The detailed structure-property and electrochemical characterization studies were done using RuO2 and MnO2-based MSCs. We demonstrate state-of-the-art performance by developing high surface area porous current collectors with enhanced mass loading and solid-state devices using ionogel electrolytes, enabling their feasible integration with microelectronics to power connected IoT sensor networks.