Ce travail porte principalement sur la caractérisation des propriétés de transport de l'oxygène dans deux cobaltites, Ba2Co9O14 et Ca3Co4O9+δ, matériaux prometteurs comme cathode de pile à combustible à oxyde solide ou anode d’électrolyseur haute-température. Une grosse partie du travail a concerné la mise en place de la mesure de profils de diffusion de l'oxygène par échange isotopique et analyse SIMS. L'étude a ainsi démontré que ces deux matériaux sont des conducteurs mixtes ionique/électronique.Alors que les paramètres de transport mesurés sur Ba2Co9O14sont relativement faibles, les phases dérivées de Ca3Co4O9+δ présentent des coefficients d'échange en surface du même ordre de grandeur que ceux des matériaux de cathode les plus performants aujourd'hui. La structure de Ca3Co4O9+δ est constituée de l'alternance de couches Ca2CoO3-δ de type NaCl et de couches hexagonales CoO2. L'étude de céramiques texturées a démontré une diffusion facilitée parallèlement aux couches, probablement au sein des couches de type NaCl, lacunaires en oxygène. Par ailleurs, les premières mesures par LEIS ont montré la présence préférentielle de calcium à l'extrême surface du matériau. / The main objective of this work was the characterization of the oxygen transport properties of oxygen in two cobaltite materials, Ba2Co9O14 et Ca3Co4O9+δ, promising as SOFC cathode or SOEC anode. A significant part of this work was devoted to the set-up of oxygen diffusion profiles measurement by combining isotopic exchange and SIMS analysis. It has been demonstrated that these ceramics are mixed ionic–electronic conducting (MIEC) materials. Even though Ba2Co9O14's oxygen transport coefficients are relatively low, Ca3Co4O9+δ and derivatives show surface exchange coefficients close to those encountered in the today's most promising cathode materials.Ca3Co4O9+δ is built upon the stacking of Ca2CoO3-δ rock-salt layers and CoO2 hexagonal layers. The study of textured ceramics showed a preferential diffusion along the layers, probably inside the rock-salt layers which contain oxygen vacancies. In addition, first LEIS measurements showed that the uppermost atomic layer of the structure is mainly made up of calcium atoms.

À l'heure actuelle, il y a un intérêt croissant pour l’adaptation des propriétés physique des solides contenant des métaux de transition en modifiant leurs réseaux ioniques. Ces changements topologiques modifient non seulement le degré d’oxydation du métal de transition, mais peuvent également modifier sa sphère de coordinence, ainsi que les connectivités cation-anion-cation à longue distance, pouvant conduire à des changements radicaux de leurs propriétés physiques.Dans ce contexte, mon travail de thèse, réalisé au laboratoire UCCS à Lille (France), a consisté en une étude approfondie de deux différents exemples de transformations topotactiques. Premièrement, je présente l´échange anionique ainsi que l'exfoliation en nano-feuillets chargés positivement, de l'oxo-bromure de cobalt 14H-Ba7Co6BrO17. Le processus d'exfoliation a été caractérisé structuralement à l’aide de techniques telles que les microscopies, la diffraction ou l’absorption des rayons X.Dans la deuxième partie de mon travail, une étude complète du processus d’exsolution reversible du fer dans BaFe2(PO4)2 a été effectuée, en établissant une relation entre les évolutions structurales et la quantité de fer exsoluté. Une étude sur l'insertion éventuelle du lithium dans la structure de la phase la plus lacunaire en fer, BaFe1.33(PO4)2, ainsi que ses capacités en tant que cathode pour batteries au lithium, a également été réalisée. En outre, des études structurales et magnétiques des solutions solides BaFe2-YMY (PO4)2 par substitution du métal par Co2+ ou Ni2+a aussi été réalisée.Enfin, dans la dernière partie de ce manuscrit, je présente trois phases différentes à base de fer qui ont été découvertes lors de prospection pour trouver de nouvelles phases ayant des capacités de transformations topotactique. / At present, there is growing interest in tuning the physical behavior of solids containing transition metals by modifying their ionic lattices. These topological changes modify not only the electron count (through reduction or oxidation) but can also modify the local transition metal coordination sphere and the long-range cation-anion-cation connectivity, potentially leading to dramatic changes in their physical behavior. In this context, my PhD work developed in the UCCS laboratory at Lille (France), has consisted in a deep study of two different examples of topotactic transformations. Firstly I have performed anionic exchange as well as exfoliation into positively-charged nanoflakes, on the oxybromide cobaltites 15H-Ba7Co6BrO17. This exfoliation process has been structurally characterized by different techniques as microscopies, X-Rays diffractions and absorptions. For the last two, synchrotron radiation was used, the experiments being performed at SOLEIL.Secondely, a full study of the reversible iron exsolution process in BaFe2(PO4)2 has been carried out, establishing a relation between the structural features and the amount of iron exsoluted. A study about a possible lithium insertion in the lattice of the most exsoluted phase, BaFe1.33(PO4)2, as well as its capabilities determination as cathode in Li batteries was also performed. In addition, structural and magnetic studies has been realized in the substituted solid solutions of BaFe2-yMy(PO4)2 with M2+ = Co2+, Ni2+.Finally, the last part of the manuscript presents three different iron phases discovered during my prospecting work for new phases having abilities for topotactic transformation.

Cette thèse porte sur l’optimisation en termes de microstructure et de composition des propriétés électrochimiques du composé Ca3Co4O9+δ pour une application comme cathode pour Pile à Combustible à Oxyde. En utilisant la sérigraphie comme technique de dépôt, la Résistance Surfacique Spécifique a été diminuée jusqu’à 0.5 Ωcm² à 700°C pour un matériau composé de 50% en masse d’oxyde de cérium dopé au gadolinium et Ca3Co4O9+δ. Par ailleurs, des techniques telles que le spin-coating et l’électro-spray apparaissent comme prometteuse pour l’amélioration des performances. Nous avons tenté d’étudié l’impact de la substitution partielle sur le site calcium sur les performances électrochimiques pour différents dopants (Sr, Pb, Bi, La). Du fait que les performances électrochimiques dépendent fortement de la préparation et de la faible concentration en dopant contrainte par la faible solubilité du plomb en site calcium, il n’a pas été possible de tirer des conclusions claires sur l’impact d’un tel dopage, de même pour les propriétés de transport de l’oxygène. Par contre, l’analyse par échange Isotopique Pulsé de la composition (Ca0.90Sr0.10)3Co4O9+δ a permis de confirmer les très bonnes cinétiques d’échange de l’oxygène pour les composés partiellement substitués par du strontium, montrant par ailleurs que ni l’adsorption en surface de l’oxygène ni son incorporation dans le solide sont des étapes limitantes dans le mécanisme d’échange en surface. / In this PhD thesis, the electrochemical performances of the misfit layered oxide Ca3Co4O9+δ used as a cathode for Solid Oxide Fuel Cell were tentatively optimised by optimisation of the electrode microstructure and composition. Using screen printing as a deposition technique, the Area Specific Resistance was decreased to 0.5 Ωcm2 at 700°C for a composite made of 50% in weight of cerium gadolinium doped oxide and Ca3Co4O9+δ. Spin coating and electro-spray deposition were also tested as promising technique to improve the performances. The impact of partial substitution of the calcium site on the electrochemical performances was tentatively studied with a wide range of dopant (Sr, Pb, Bi, La). It was difficult to draw conclusions since their performances depend strongly on the sample preparation. Moreover, due to the low amount of the dopant, imposed by the low solubility of lead in the calcium site, it was not possible to derive a clear tendency of the substituent’s impact on the oxygen transport properties. However, by pulse isotopic exchange, high surface exchange kinetics were confirmed for the (Ca0.90Sr0.10)3Co4O9+δ composition and it was shown that neither the oxygen adsorption of the surface nor the oxygen incorporation in the solid were the limiting step in the oxygen transfer.

Les processus de transfert de charge sont très importants dans de nombreux domaines de la physique et de la chimie. Ils interviennent en particulier dans la conception ds plasmas astrophysiques ainsi que des plasmas de fusion. Les particules secondaires, électrons lents ou ions, générés le long du trajet des radiations jouent également un rôle crucial dans l’action des radaitions sur le milieu biologique, en relation en particulier avec les traitements du cancer. Il est donc fondamental d’avoir une connaissance approfondie des mécanismes mis en jeu dans ce type de processus, à l’échelle moléculaire. Pour cela, nous avons étudié dans cette thèse deux systèmes voisins, la collision des ions C2+ avec les molécules HF et HCI afin d’ananllyser en détail le mécanisme de transfert de charge dans ces deux réactions en d’en déduire des éléments permettant d’avoir une vue plus générals de ce type de processus. Nous nous sommes en particulier intéressés à l’anisotropie de la réaction de transfert de charge ainsi qu’aux effets dus à la vibration de la molécule diatomique cible lors de la collision. Une étude comparée des ces deux système a montré un mécanisme différent dans chaque cas liés aux interactions non-adiabatiques mises en jeu / Collisiosns of slow multiply charged ions with molecular species have been widely investigated in the past few years. Imortant experimental and theoretical effort has been focused on reactions with simple targets. Consideration of more complex molecular targets are now of increasing interest, in particular with regardto possible direect or indirect processes occuring in the irradiation of the biological medium.. In these reactions generally at relativity low energies, different processes have to be considered: exitation and fragmentation on the molecule, ionization of the gaseous target, and also possible charge transfer from the multicharged ion toward the biomolecule..Charge transfer can be investigated theoretically in the framework of the molecular representation of the collision. Such studies provides important information on the mecanism as well as on the electronic structure of the projectile and target during the reaction. The charge-transfer process in collisions on C2+ ions with hydrogen halide molecule (HF, HCI) has been studied by means of ab initio quantum chemistry molecular methods followed by semiclassical dynamical treatment in the keV collision energy range. The mechanism has been investigated in detail in each reaction, in connection with nonadiabatic interactions around avoided crodssings between states involved in the process.