Ce projet est dédié à la recherche industrielle pour le développement de systèmes catalytiques innovants tels que le contrôle des émissions de véhicules. L'Europe connait actuellement une forte dépendance au niveau de l'importation de certains éléments utilisés comme support de catalyseur (oxyde de Cerium), nous souhaitons nous concentrer sur des éléments plus facilement disponibles tels que Ca, Fe, Mn, Sr, Cu... tout en essayant de garder le mécanisme catalytique bien connu de l'oxyde de cerium. Pour ce faire, nous avons sélectionné des conducteurs en oxygène de la famille des brownmillerites comme matériaux supports. Ceux ci présente des lacunes en oxygènes ayant un impact bénéfique sur leur activité catalytique pour les réactions d'oxydations. Il est aussi prévu de regarder les interactions entre métaux nobles et support conducteurs en oxygène pour une application de dépollution des gaz. Les réactions modèles étudiées au début de ce projet seront l'oxydation du CO ainsi que le stockage et la réduction des NOx. Les brownmillerites peuvent être vues comme des oxydes de type pérovskite avec un défaut en oxygène. Les brownmillerites ont une structure anisotropique avec un enchainement de lacines d'oxygènes-1D apportant une augmentation de l'activité catalytique. Ces browmillerites sont bien connues pour présenter une mobilité de l'oxygène à basse température. La présence de défauts tels que des liaisons anti-phase peut significativement diminuer la diffusion de l'oxygène. CaFeO2.5 riche en défauts, connu pour être une phase stœchiométrique peut être oxyder dans de "douces" conditions en CaFeO3 alors que l'oxydation d'un CaFeO2.5 ordinaire requiert des conditions extrêmes (1100°C et plusieurs GPa de pression en oxygène). Ainsi, introduire un nombre élevé de défauts dans la structure cristalline semble être une manière prometteuse de transformer des phases stoechiométriques en réservoir à oxygène. Les matériaux obtenus alors ayant des capacité de stockage et d'amélioration des réactions d'oxydations à température très modérée. Le mécanisme mis en jeu est comparable à celui de la capacité de stockage en oxygène des cérines dopées et offre donc un vrai potentiel catalytique. Au cours de ce projet CaFeO2.5 sera premièrement étudié mais nous étendrons l'étude avec des dopages (Cu, Mn, W) et une autre composition sera aussi étudiée : SrFeO2.5; Concernant le support nous souhaitons obtenir : -une grande dispersion du métal noble dans la matrice -une grande mobilité de l'oxygène à température modérée -une grande surface spécifique Obtenir ces trois caractéristiques simultanément est actuellement un challenge pour les brownmillérites. Pour ce faire nous souhaitons étudier différentes voies de synthèse. Une grande partie du projet sera dédiée aux caractérisations des matériaux avec des analyses structurales et spectroscopiques incluant de l'échange isotopique pour l'étude de la mobilité en oxygène. Ces études permettront une meilleure compréhension des propriétés des matériaux en relation avec leur activité catalytique. Les matériaux les plus prometteurs à l'issue de cette étude seront synthétisés à l'échelle du pilote par un processus d'électro-fusion. / The present project is dedicated to industrial research for the development of innovative catalytic systems for air purification, such as those used for the control of road vehicle emission (three way converter, TWC). In the context of Europe’s dependency on imports of some critical elements currently used as catalyst support (e.g. cerium oxide), we focus on more available elements such as Ca, Fe, Mn, Sr, Cu… by keeping the well-understood mechanisms governing the catalytic activity of cerium oxide in mind. As such, we choose oxygen ion conductors of the Brownmillerite family as support material, because it has been reported that lattice oxygen atoms have a beneficial impact on the catalytic activity of oxidation reactions. Next to the pure support material, also the interaction of a noble metal with the oxygen ion conductive support for the efficient removal of gas phase pollutants will be studied. In terms of catalytic reactions, the oxidation of CO, and the storage and reduction of NOx will be the primary metrics. In this project, oxygen ion conductors of the Brownmillerite family are chosen as support material. Brownmillerites can be regarded as oxygen-deficient perovskite type oxides. The Brownmillerite type structure is anisotropic with 1D-oxygen vacancy channels providing a catalytically enhanced surface/interface structure. Brownmillerites are known to reveal oxygen ion mobility down to ambient temperature. The presence of extended defects as anti-phase boundaries can significantly decrease the activation energy for oxygen diffusion. Defect-rich CaFeO2.5, which is traditionally known to be a stoichiometric line-phase, can be oxidized under mild conditions to CaFeO3, while the oxidation of ordinary CaFeO2.5 usually requires extreme reaction conditions, i.e. 1100°C and several GPa oxygen partial pressure. Thus, introducing a high concentration of defects seems to be a promising concept to transform even traditionally known stoichiometric line-phases to become a kind of oxygen sponge and behave as oxygen storage/buffer compound at very moderate temperatures. This mechanism is thus comparable to the oxygen storage capacity of doped cerium oxide, and offers a true potential for application in catalysis. Consequently, the Brownmillerite CaFeO2.5 will be a first candidate to study due to its known oxygen ion conductivity properties, however, also doping with other elements (e.g. Cu, Mn, W) and other compositions (e.g. SrFeO2.5) will be investigated. For the support material, we will attempt to achieve (i)- a high degree of dispersion of the noble metal into the matrix, (ii)- a high oxygen mobility at moderate temperatures (e.g. by introducing defects) and (iii)- a high surface area, which we anticipate to be key aspects for achieving high catalytic activity. To date, it is still a challenge to achieve these goals simultaneously for Brownmillerites. As a result, in this project, several synthesis routes are foreseen. More straightforward synthesis routes, such as citrate- EDTA gel methods and spray pyrolysis, will be investigated alongside with more advanced synthetic approaches such and hard-templating routes. This multitude of possibilities allows for an easy adaption of a synthesis route to the material under study. A major part of the project will be dedicated to the detailed characterization of the materials involving large scale facilities for structure analysis and spectroscopy (in-situ studies), including oxygen isotope exchange reactions to trace the oxygen ion mobility. These studies will allow for a detailed understanding of the materials properties in relation to its catalytic activity. The most promising materials will be synthesized on a pilot-scale using electrofusion. This technique is well-established by the industrial partner and is extremely suitable for the synthesis of reduced powders, such as CaFeO2.5.

Chez certains pathogènes, les flavohémoglobines (flavoHbs) jouent un rôle important dans le système de défense des microorganismes en leur conférant une résistance contre le stress nitrosant généré par les cellules du système immunitaire. Dans la mesure où ces protéines sont absentes chez l’homme, plusieurs études ont été réalisées en vue de comprendre le fonctionnement des flavoHbs au niveau moléculaire en les considérant comme des cibles attractives potentielles pour des inhibiteurs sélectifs. L’inactivation de ces enzymes chez les pathogènes entraîne une perte de virulence. Des composés chimiques (dérivés azolés) ont été identifiés comme étant capables d’inhiber leur activité enzymatique et d’affecter les facteurs de virulence bactérienne. Si ces composés sont très utilisés dans le traitement d’infections fongiques cutanées invasives, leur activité antibactérienne potentielle n’est pas encore exploitée.Typiquement, les flavoHbs sont composées de trois domaines : un domaine à hème de type globine, un domaine de site de fixation d’une flavine et un domaine de fixation du substrat de l’enzyme, le NADH. Les structures cristallographiques des flavoHbs montrent que ce sont des protéines capables d'adopter des conformations différentes selon la nature et la présence de ligand de l’hème mais aussi selon l’organisme d’origine. Ces différentes conformations se traduisent par une mobilité d’un seul des trois domaines sans modification majeure des deux autres domaines. Nous avons entrepris, dans ce travail, l’étude de la flavoHb d’une bactérie pathogène, Staphyloccocus aureus (pathogenic bacteria), peu étudiée dans la littérature et sa comparaison avec celle issue de Ralstonia eutropha (bactérie non pathogène), mieux caractérisée, afin de tenter d’apporter des informations nouvelles voire plus spécifiques de leur fonctionnement chez les pathogènes.Le travail présenté dans ce manuscrit décrit tout d’abord la caractérisation fonctionnelle et biochimique de la flavoHb de S.aureus, et approfondi celle de R. eutropha. Du fait de l’absence de structure cristallographique de la flavoHb de S. aureus, nous avons construit un modèle structural théorique en se basant sur l’homologie de séquence forte entre la séquence d’acide aminée de S. aureus et celle de Saccharomyces cerevisiae dont la structure 3D a été récemment déterminée. Dans l’hypothèse où le mécanisme enzymatique des flavoHbs implique une transition entre différentes conformations, les flavoHbs de R. eutropha et S. aureus ont été modifiées génétiquement au niveau du résidu phénylalanine suggéré par l’analyse structurale comme pouvant jouer un rôle dans la transition entre les différentes conformations. Les conséquences de la mutation de Phe396 en Ser ou Ala ont été analysées au regard des activités catalytiques et des propriétés biochimiques de l’enzyme mais aussi des propriétés des transferts d’électrons intramoléculaires entre les groupements prosthétiques (hème et flavine) par différentes techniques spectroscopiques. Ce travail a permis de montrer que l’effet de la substitution du résidu Phe sur les propriétés enzymatiques diffère selon la flavoHb considérée et révèle dans certains cas un site de fixation de substrat autre que le substrat natif. L’effet d’inhibiteurs (dérivés azolés) mais aussi des quinones et de composés aromatiques nitrés sur le fonctionnement des protéines natives et modifiées génétiquement ont été également étudiés dans ce travail, ces derniers composés pouvant agir en tant que "substrats subversifs" pour les flavoHbs, transformant leurs fonctions de protection en fonctions cytotoxiques.L’ensemble de ce travail a montré que, malgré des structures et des séquences protéiques très voisines, les flavoHbs issues de bactéries différentes sont susceptibles de se comporter différemment vis-à-vis de l’introduction d’une même mutation, de l’effet d’un même inhibiteur et peuvent le cas échéant présenter aussi des cycles catalytiques sensiblement différents. / For some pathogens, flavohemoglobins (FlavoHbs) play an important role in the defense of microorganisms by conferring them a resistance against nitrosative stress generated by the immune system cells. Since these protein are absent in human, several studies have been conducted in order to understand the functioning of these proteins at the molecular level, considering them as potential attractive targets for selective inhibitors. Their inactivation results a loss of virulence. Chemical compounds such as azole derivatives have been identified as being capable of inhibiting their enzymatic function and thereby affecting the bacterial virulence factors. If these compounds are widely used in the treatment of invasive fungal skin infections, their potential antibacterial activity is not yet operated.Typically, flavoHbs are composed of three domains: an N-terminal globin domain which harbors a single heme b and a C-terminal ferredoxin reductase-like FAD- and NAD-binding module. The crystallographic structures of flavoHbs show that these proteins are able to adopt different conformations depending on the nature and the presence of heme ligand but also depending on different organisms they are coming from. The different conformations are characterized by a rigid body motion of one of the three domains. We have undertaken in this work, the study of the Staphyloccocus aureus flavoHb, poorly studied in the literature, and compared it to the Ralstonia eutropha flavoHb (non pathogenic bacteria) to provide new and more specific information on behaviors of these proteins derived from pathogens.This PhD work describes first the functional and biochemical characterization of the S. aureus flavoHb. Due to the lack of its crystallographic structure, a theoretical structural model was designed based on the strong sequence homology between the amino acid sequence of S. aureus and Saccharomyces cerevisiae for which the 3D structure was recently determined. We hypothesized that the relative movement of protein domains could be a way to regulate its enzymatic activity by controlling the substrate accessibility. The Phe396 residue (nomenclature according to R. eutropha), suggested by the structural data to play an important role in the enzyme functioning, but also in the equilibrium between different conformations, was substituted by the Ala or Serine amino acids. The effects of the punctual mutations were investigated with respect to the enzyme functioning and biochemical properties. The mutations effect on the internal electron transfer between flavoHbs cofactors (heme and FAD) was also studied by spectroscopic techniques. This work showed that the impact of Phe substitution on the enzymatic properties is different, depending the considered flavoHb and revealed an additional binding site for other substrate than the native one. The effects of azole derivative inhibitors and also quinones and nitroaromatic compounds have been studied on native and genetically modified enzymes functioning. The latter compounds may act as the ‘subversive substrates’ for flavoHb, converting its protective functions into the cytotoxic ones.Taken as a whole, this work showed that, although the protein structures and sequences are similar, the flavoHbs from different bacteria may behave differently towards an identical mutation, an identical inhibitor and could display different catalytic cycles.

La durabilité des piles à combustible à membrane échangeuse de protons, jugée à l’heure actuelle insuffisante, est principalement liée à la dégradation des supports de catalyseur cathodiques carbonés. Afin d’augmenter cette durabilité, un fin revêtement de dioxyde d’étain est effectué sur différents types de carbone (nanotubes, noirs et aérogel de carbone). L’objectif est d’obtenir un matériau alliant la morphologie et la conductivité électrique des carbones avec la stabilité thermodynamique du dioxyde d’étain. Plusieurs types de carbone avec des propriétés intrinsèques différentes ont été choisis afin d’avoir un large un panel de textures et de structures. Dans ces travaux de thèse, des études expérimentales ont été effectuées dans le but d’obtenir des revêtements d’oxyde d’étain fins, homogènes et couvrants. Ces études ont mis en l’avant l’influence primordiale de la texture et de la structure du carbone, mais aussi de la valeur du pH du milieu réactionnel sur la qualité et la quantité de revêtement. Il a aussi été montré que les mécanismes de transformation du précurseur en dioxyde d’étain dépendent de la valeur de ce pH. En améliorant les interactions entre la surface des carbones et des espèces réactives, il a été possible dans certains cas de diminuer grandement la quantité de précurseur tout en améliorant la qualité du revêtement. Les dépôts de nanoparticules de platine effectués sur des aérogels de carbone bruts et revêtus ont mis en avant un comportement différent du platine qui a tendance à s’agglomérer lorsqu’il est en contact avec le dioxyde d’étain. Les performances initiales ainsi que la durabilité des électrocatalyseurs en fonction de deux tests de vieillissement accéléré (classique ou démarrage/arrêt) ont ensuite été discutées, mettant en avant des résultats mitigés. / The proton exchange membrane fuel cell’s lifespan is insufficient because of the degradation of carbon used as cathodic catalyst supports. In order to reduce this degradation, a thin tin dioxide coating is synthesized on the surface of different carbonaceous materials (nanotubes, carbon blacks and aerogel). The aim is to combine the morphology and the electric conductivity of the carbon with the thermodynamic stability of the tin dioxide. Carbonaceous materials with different intrinsic properties are chosen for this study to test a wide range of textures and structures. Experimental studies were carried out in order to synthesize a thin, homogeneous and covering tin dioxide coating. The major influences of the texture and structure of carbonaceous materials but also the influence of the pH value on the quantity and quality of the coating are highlighted. It turns out that the mechanism of formation of tin dioxide depends on this pH value. Thanks to the improvement of the interactions between the carbon surface and the reactive species, it was possible, in some cases, to reduce drastically the quantity of precursor. Platinum nanoparticles deposition performed on various materials (raw or coated carbon aerogel) highlights a different platinum behavior. In fact, on the tin dioxide surface, nanoparticles tend to agglomerate together instead of making a homogeneous dispersion. Then, the initial performances and the durability of electrocatalysts tested with two accelerated stress tests (load protocol or start/stop protocol) are evaluated, spotlighting mitigate results.

Les matériaux hydroxydes doubles lamellaires (HDL) sont une classe d'argiles anioniques synthétiques dont la structure est basée sur celle du brucite Mg(OH)2 dans lesquelles une partie des cations métalliques divalents sont été remplacés par des ions trivalents donnant ainsi des feuillets chargés positive. Cette charge est équilibrée par l'intercalation d'anions dans la région interlamellaire hydratée. Les identités et les rapports des cations di- et trivalents et l'anion interlamellaire peuvent être varié sur une large gamme, donnant lieu à une large classe de matériaux isostructurales. Le matériau d’origine de cette classe est l’hydrotalcite (HT) et les HDL sont par conséquent également connus comme des matériaux de type hydrotalcite. Bien que les caractéristiques de base de la structure soient bien comprises, des aspects structurels détaillés ont fait l'objet de certaine controverse dans la littérature afin de maîtriser leurs propriétés et leurs applications potentielles. Dans ce travail de thèse nous avons retenu deux types de HDL MgAl et ZnAl qui ont été largement introduits dans diverses applications, tels que la sorption des molécules d'intérêt biologique (enzyme et médicament) et l'élaboration d'électrodes. La spécificité de ce travail repose sur l’immobilisation d’une enzyme modèle, la lactate déshydrogénase dans ces deux matrices ainsi qu’un médicament anti-bactérien, la berbérine, afin d’étudier les interactions entre ces deux biomolécules et la phase HDL introduite et de répondre à leurs exigences d'applications dans le domaine médical. Dans un second temps nous avons tenté d’étudier les deux phases mentionnées de plus en plus fine en termes de structure, morphologie et profil électrochimique en vue de les employer en tant que matériaux d’électrode pour le développement de biopile / DHs are a class of synthetic anionic clays whose structure is based on brucite-like layers Mg(OH)2 inwhich some of the divalent cations have been replaced by trivalent ions giving positively-charged sheets.This charge is balanced by intercalation of anions in the hydrated interlayer regions. The identities andratios of the di- and trivalent cations and the interlayer anion may be varied over a wide range, giving rise toa large class of isostructural materials. The parent material of this class is the naturally occurring mineralhydrotalcite and LDHs are consequently also known as hydrotalcite-like materials. Although the basicfeatures of the structure are well understood, detailed structural aspects have been the subject of somecontroversy in the literature. In this thesis, we have selected two types of LDH, MgAl and ZnAl, which havebeen widely introduced in various applications, such as sorption of molecules of biological interest (enzymeand drug) and the development of electrodes. The specificity of this work lies on the immobilization of amodel enzyme, lactate dehydrogenase in both matrices as well as an anti-bacterial drug, berberine, inorder to study the interactions between these two biomolecules and the introduced LDH phase and tobetter address their challenges of applications in the medical field. Second, we have tried to study the twophases mentioned above more and more accurately in terms of structure, morphology and electrochemicalprofile in order to use them as electrode materials for microbial fuel cell device