L'arsenic et l'antimoine bien que n'étant pas recensés parmi les polluants majeurs de l'environnement sont souvent retrouvés associés à d'autres contaminants. En France, et plus particulièrement dans la région Auvergne, de nombreux sites miniers où s'effectuait l'extraction de l'antimoine sont désormais à l'abandon. Pouvant présenter des risques pour les populations avoisinantes, leur réhabilitation est donc une mission d'intérêt public. L'idée de ce travail de doctorat est de tester l'effet d'un catalyseur : le ver de terre sur l'efficacité des processus de phytoremédiation. En tant qu'" ingénieurs du sol ", ils sont à la base des processus de pédogénèse et peuvent donc assurer la restructuration du sol. De plus, de nombreuses études ont montré leurs effets positifs sur la production de biomasse végétale. Cependant, les mécanismes moléculaires responsables de cette acroissement de production demeurent méconnus. Un système expérimental novateur, jamais utilisé en Ecologie des Sols et couplant la plante modèle Arabidopsis thaliana (L.) Heynh et Aporrectodea caliginosa (Savigny), un ver de terre endogé commun des régions tempérées, a été mis en place afin de 1) identifier les principales voies métaboliques modifiées en réponse aux vers de terre et pouvant expliquer leurs effets positifs sur la croissance et le développement des végétaux, 2) étudier la nutrition minérale en fer et en phosphate, notamment au niveau des variations d'expression des transporteurs de ces deux éléments, 3) tester ce système pour la phytoextraction de sédiments, issus d'un ancien site minier, contaminés à l'arsenic et à l'antimoine. Les résultats montrent que l'amélioration des processus de minéralisation est déterminante dans l'accroissement de la biomasse d'Arabidopsis thaliana qui se traduit aussi par une élévation des teneurs en azote dans les parties aériennes. Cependant, la présence de phytohormones, produites par des bactéries activées par leur transit dans le ver de terre semble également impliquée dans le renforcement de l'absorption d'azote. A l'échelle moléculaire, les vers entraînent une surexpression du gène HBT, impliqué dans la division cellulaire et semblent diminuer le stress oxydant puisque la quantité de transcrits SOD Cu/Zn diminue. Les résultats montrent de plus que les vers de terre augmentent de façon significative l'absorption et l'accumulation de fer, de phosphate et d'autres minéraux essentiels à la croissance du végétal. Moléculairement, l'augmentation de l'absorption des nutriments se traduit par une augmentation de la transcription de certains gènes codant des transporteurs tels que PHT1.3, qui est un transporteur de haute affinité pour le phosphate. Une augmentation de la transcription et également de l'activité de la protéine FRO2, qui est à l'origine de la chélation et de la réduction du fer a été observée. Dans les feuilles, les vers de terre induisent de manière systémique la surexpression d'un transporteur de phosphate localisé dans les chloroplastes, PHT2.1 et la surexpression de transporteurs du fer appartenant à la famille des NRAMPs, notamment NRAMP1,2 et 6. Dans le contexte d'une problématique de phytoremédiation, l'effet des vers de terre sur la capacité de phytoextraction d'Arabidopsis a été testé et, il ressort clairement de cette étude que les vers de terre permettent une meilleure absorption d'antimoine et d'arsenic. Cependant, ces deux métalloïdes tendent à rester dans les racines et ne sont que faiblement transferrés vers les parties aériennes. Cette formidable augmentation des concentrations en polluants dans les racines entraîne un retard de croissance considérable et affecte, dans une moindre mesure cependant, l'activité photosynthétique et les échanges gazeux d'Arabidopsis. Ainsi, ce travail de thèse a donc tout d'abord démontré la sensibilité aux vers de terre de la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ce système expérimental novateur offre de nouvelles possibilités de recherches dans le domaine des études des interactions entre les vers de terre et les plantes, notamment en raison de la grande diversité de mutants d'Arabidopsis. De plus, ce travail a également permis de démontrer le rôle crucial de catalyseur que peuvent jouer les vers de terre en vue d'optimisation des processus de phytoextraction

La thermoélectricité est une science remise au goût du jour depuis quelques années en tant que source de récupération d'énergie. Dans cette optique, l'étude et la conception de dispositifs thermoélectriques à base de films minces se justifient parfaitement : en effet, les faibles dimensions de ces modules, de l'ordre du cm2, permettent leur intégration et leur utilisation dans des domaines nombreux et variés, tels l'industrie automobile, l'environnement du corps humain, l'alimentation de capteurs sans fil... Ainsi, ces travaux ont permis la réalisation et la caractérisation de plusieurs modules, composés de matériaux de différente nature, et de diverses géométries. Pour cela, le développement des procédés de calibration de couches minces, à la fois de matériaux semimétalliques, en bismuth et antimoine, mais aussi de matériaux semiconducteurs, en silicium et silicium-germanium, a été étudié et optimisé. De plus, l'utilisation de matériaux nanostructurés permet une amélioration des performances thermoélectriques via notamment une diminution de la conductivité thermique. Dans ce cadre, une étude théorique sur les transports électriques et thermiques dans les nanostructures, complémentée de mesures expérimentales sur des superréseaux Si/SiGe, ont permis de valider ces propos et de justifier leur intégration au sein de dispositifs thermoélectriques.

L'antimoine (Sb) est un élément qui a la particularité d'être utilisé à la fois comme dopant et comme surfactant du silicium (Si). L'étude du système Sb-Si est donc de première importance tant d'un point de vue fondamental que de celui de ses nombreuses applications en électronique. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse correspond à une étude expérimentale et théorique des propriétés d'adsorption/désorption de Sb sur la surface nominale (111) de Si.<br />Du point de vue expérimental, l'utilisation combinée de la spectrométrie de masse, de la diffraction des électrons et de la microscopie à effet tunnel nous a permis de décrire les propriétés structurales, cinétiques et thermodynamiques du système. Du point de vue théorique, l'utilisation des méthodes ab-initio nous a permis d'étudier l'évolution de la nature des sites d'adsorption avec le recouvrement de surface.<br />Ce travail permet de dégager un scénario cohérent de l'adsorption, dans lequel la nature du site préférentiel change depuis un site ternaire (à faible recouvrement) vers un site apical (à complétion de la couche), permettant de passer d'un système à interactions répulsives (théorie) ou nulles (expérience) à un système à interactions attractives (théorie et expérience). Ce changement de site permet de réconcilier nos résultats expérimentaux cinétiques et thermodynamiques, qui semblaient contradictoires.

L’application de la biosorption à l’analyse inorganique est un sujet en plein essor. Dans cette étude, un support à base de cellules de boulanger Saccharomyces cerevisiae a été développé pour la spéciation et la préconcentration des espèces inorganiques de l’antimoine Sb(III) et Sb(V). Nous avons tout d’abord montré qu’il était possible de fixer de manière sélective Sb(III) en présence de Sb(V) sur les cellules dans une large gamme de pH (5-9) et de force ionique (0-0,1M). Un prétraitement thermique de la biomasse (80°C, 30min) permet d’augmenter significativement la cinétique de fixation de Sb(III) sans nuire à la séparation. L’élution de Sb(III) par l’acide thioglycolique à pH 10 est rapide et quantitative, permettant d’obtenir un facteur de préconcentration proche de 9. Nous avons mis en évidence que la rétention de Sb(V) observée à bas pH était due à des complexation avec les groupements sulfhydryle de la paroi cellulaire. La modélisation des isotherme de sorption de Sb(III) (qmax = 450µg.g-1) ont permis de définir 3 types de sites d’affinité et de coordination différentes. Parmi les matrices testées pour l’immobilisation des cellules, le polysulfone s’avère être le plus performant, alliant perméabilité, faible affinité vis-à-vis de l’antimoine et préservation des sites de fixation. Des colonnes remplies de levures immobilisées ont été couplées à un spectromètre ICP-AES et appliquées avec succès à la spéciation de l’antimoine dans l’eau minérale dopée à faible concentration. Les limites de quantification de Sb(III) ont été améliorées d’un facteur 5 par préconcentration / The application of biosorption to inorganic analysis is an expanding research area. In this study, an analytical support based on baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae was developed for the speciation and the preconcentration of inorganic antimony species Sb(III) and Sb(V). It was shown that Sb(III) can be retained selectively by the cells in the presence of Sb(V) in a wide range of pH (5-9) and ionic strength (0-0,1M). Heat pretreatment of the biomass (80°C, 30min) significantly increased the kinetics of Sb(III) uptake without degrading the separation. The elution of Sb(III) by thioglycolic acid at pH 10 was rapid and quantitative, allowing to achieve a preconcentration factor close to 9. Interactions between Sb(V) and the cells, as observed at lower pH, were found to be purely electrostatic, while Sb(III) retention was attributed to the complexation of the species with sulfhydryl groups of the cell walls. Three kinds of sites with different affinities and coordinations were identified by modeling Sb(III) sorption isotherms (qmax = 450µg.g-1). Among the different materials tested, polysulfone was found to be the most suitable matrix for yeast immobilization, combining a good permeability to a low affinity for antimony species and preservation of the sorption sites. Columns filled with immobilized cells were coupled with ICP-AES and successfully applied to antimony speciation in mineral waters samples spiked at low concentration level. The limit of quantification was improved by a factor of 5 by preconcentration

Les hybrides halométallates permettent d'obtenir des matériaux (multi)fonctionnels, en associant un cation organique fonctionnel à un anion inorganique, constitué des métaux du groupe 14 et 15 (typiquement SnII, PbII, BiIII, et SbIII), et dont la paire libre ns2 joue un rôle clé dans les propriétés collectives du matériau. Au cours des présents travaux, nous avons porté notre attention sur la synthèse et la caractérisation d'hybrides halobismuthates et haloantimonates de viologène (V2+), le dication viologène étant bien connu en tant que fort accepteur d'électron. Au cours de la première partie, on a montré que le méthylviologène a stabilisé des chaînes 1D halométallates originales d'octaèdres trans-connectés, menant à une série de composés (MV)[MIII(X,X')5]∞ (MV=méthylviologène ; MIII=Bi3+, Sb3+ ; X,X'=Cl- ,Br-,I-). La géométrie régulière ou distordue des chaînes, principalement gouvernée par l'activité stéréochimique de la paire libre de Bi3+ ou Sb3+, a permis l'obtention d'une nouvelle famille de matériaux ferroélectriques avec notamment une valeur de polarisation record dans le cas de (MV)[BiI3Cl2]∞. Dans la deuxième partie, on a tenté de comprendre les propriétés de transfert de charge photo-induit dans une nouvelle famille de composés du type (V)n+1[MIII 2nX8n+2]∞ (V2+=méthylviologène et dérivés ; MIII=Bi3+, Sb3+ ; X=Cl-, Br-, I- ; n=1,2,3,∞). On a mis en évidence que le changement de couleur, issu d'une réaction de transfert de charge photo-induit, dépend de la nature du cation métallique (Bi3+), de l'halogène (Cl-), du potentiel redox du viologène (V2+), de la taille de l'anion inorganique et de la nature des interactions à l'interface organique-inorganique.

Les réactions d'oxydoréduction de l'antimoine (V) et (III) avec la mackinawite (FeS) et du plutonium (III) et (V) avec plusieurs minéraux à fer(II) et des oxydes de fer(III) ont été étudiées dans des conditions d'anoxie. La spectroscopie d'absorption des rayons X fut utilisée pour l'analyse de l'état d'oxydation et de la structure locale du Sb et Pu associés à la phase solide. Après réaction avec la mackinawite, la chukanovite et la magnétite, PuO2, Pu(III) ou des mixtures des deux états d'oxydation ont été observé. A la surface de la magnétite un complexe tridenté du Pu(III) a pu être mis en évidence à l'aide des spectres EXAFS couplé à une simulation de Monte-Carlo utilisant le code de calcul Feff. La quantité relative de Pu(III) est fonction de l'espèce minérale, du ratio solide/liquide, des valeurs pe et pH du système et, potentiellement, de la taille de particule et de la cristallinité de la phase solide de PuO2 en présence de laquelle le Pu(III) existe. Avec la mackinawite à pH 6,2 et à une occupation de surface de 67 nmol/m2 et avec la magnétite jusqu'à pH 8.4 et 56 nmol/m2 de Pu, uniquement du Pu(III) fut trouvé associé à la phase solide. Avec la maghémite contenant du fer(II) résiduel à pH6 Pu(III) et Pu(IV) était, probablement, présents dans des complexes de surfaces similaire à celui formé par le Pu(III) sur la magnétite. Dans les conditions expérimentales (couverture de surface ≤ 77 nmol/m2), aucune formation de PuO2 ne fut observé. Après réaction avec l'hématite et la goethite Pu(IV) était l'état d'oxydation prédominant associé à la phase solide. La sorption et la réduction du Sb(V) avec la mackinawite était fortement fonction du pH. A pH acide la sorption était rapide et Sb(V) fut complètement réduit en Sb(III), formant un complexe Sb(III)-S3 probablement associé à la surface de la mackinawite. La réduction du Sb(V) était couplée à l'oxydation de la mackinawite et la greigite (Fe3S4) fut détectée par XRD. A pH basique, la sorption du Sb(V) est lente et la réduction vers le Sb(III) n'était complète qu'à des ratios de Sb/FeS très bas. Pour des valeurs plus élevé de Sb/FeS la sorption de Sb se faisait en partie par la réduction envers le complexe de Sb(III)-S3 et en partie par une co-précipitation avec le Fe(III). Il a pu être démontré que les minéraux à fer(II) peuvent effectivement contribuer à la réduction et à l'immobilisation de l'antimoine et du plutonium qui sont des contaminants environnementaux d'importance croissante. / Redox reactions of Sb(V) and Sb(III) with mackinawite (FeS) and of aqueous Pu(III) and Pu(V) with various Fe(II)-bearing minerals and Fe(III)-oxides have been investigated under anoxic conditions. X-ray absorption spectroscopy was used to analyze oxidation state and local coordination environment of Sb and Pu associated with the solid phase. After reaction with mackinawite, chukanovite and magnetite, PuO2, Pu(III) or mixtures of the two oxidation states were observed. On magnetite, a tridentate Pu(III) surface complex could be identified from EXAFS combined with Feff-Monte-Carlo simulation. The relative amount of Pu(III) depends on the type of mineral, the solid/solution ratio, the system pe and pH, and, potentially, the particle size and crystallinity of the formed PuO2 solid phase. With mackinawite at pH 6.2 and a surface loading of 67 nmol/m2 and with magnetite up to pH 8.4 and a surface loading of 56 nmol/m2, only Pu(III) was identified associated with the solid phase. With maghemite containing residual Fe(II) at pH6, Pu(III) and Pu(IV) were present in, probably, inner-sphere surface complexes similar to the one formed by Pu(III) on magnetite. Under the given conditions (surface loadings ≤ 77 nmol/m2) formation of PuO2 was not observed. After reaction with hematite and goethite, Pu(IV) was the predominant oxidation state associated with the solid phase. Sorption and reduction of Sb(V) on mackinawite were strongly pH dependent. At acidic pH, sorption was fast and Sb(V) was completely reduced to an Sb(III)-sulfide complex associated with the solid phase. Reduction of Sb(V) was coupled to oxidation of mackinawite and formation of a greigite (Fe3S4) phase could be observed by XRD. At basic pH, Sb(V) was slowly removed from solution and reduction to Sb(III) was complete only at very small Sb/FeS ratios. At higher Sb/FeS, Sb(V) removal occurred partly through reduction to solid phase associated Sb(III)-S3 and partly through co-precipitation with Fe(III). In conclusion, it could be shown that Fe(II) bearing minerals can effectively contribute to the reduction and immobilization of antimony and plutonium, two contaminants of growing environmental importance.

Les dispositifs thermoélectriques, basés sur la conversion d'énergie thermique, offrent des perspectives intéressantes pour le développement de systèmes autonomes. Les principaux défis pour le développement de telles technologies reposent sur l'obtention de dispositifs flexibles, écologiquement et économiquement viables pouvant alimenter des appareils électroniques à faible consommation d'énergie. Le but de cette thèse a donc été de proposer une méthodologie pour l'analyse globale de dispositifs thermoélectriques pour des applications à température ambiante. Dans un premier temps, une approche multi-échelle pour la modélisation de dispositifs thermoélectriques a été développée. A cet effet, trois niveaux d'abstraction ont été considérés. A l'échelle du système, un modèle compact a été développé afin d'évaluer les performances du dispositif dans son environnement. A l'échelle du dispositif, des prototypes virtuels de TEG ont été évalués par le biais de la simulation numérique. A l'échelle des matériaux, la DFT combinée à une approche semi-classique basée sur l'équation de transport de Boltzmann ont été utilisées afin de calculer les propriétés électroniques. La tétraédrite et la famatinite ont été sélectionnées en raison de leurs propriétés prometteuses à température ambiante ainsi que de leur abondance et faible coût. Dans un second temps, des travaux expérimentaux sur la synthèse de nanoparticules de Cu-Sb-S ont été menés. Des nanoparticules quasi-monodisperses avec des tailles inférieures à 50 nm ont été obtenues grâce à la mise au point d'un procédé basé sur la synthèse solvothermale avec surfactant, une méthode faible coût et facilement adaptable à grande échelle. / Thermoelectric devices, capitalizing on waste heat conversion, offer good prospects for the development of autonomous systems. The main challenges for technology development are to obtain flexible, environmentally friendly and low-cost thermoelectric devices with performances sufficient enough to power small electronic devices. The aim of this thesis was thus to propose a methodology for the global analysis of thermoelectric devices for ambient temperature applications. The developed methodology enables the evaluation of key parameters impact on the global system. First, a multiscale approach for thermoelectric devices modelling is developed. In this scope, three parallel levels of modeling are addressed. At the system level, a compact model is developed in order to evaluate overall system efficiency as a function of the thermal environment. At the device level, virtual prototypes of printed devices are built and their performances are evaluated via a finite-element simulation tool. Low temperature gradient has to be dealt with by appropriate architecture design. At the material level, quantum DFT is used in conjunction with semi-classical approach using Boltzmann transport theory to calculate electronic properties. Tetrahedrite and famatinite compounds are chosen due to their promising thermoelectric properties at room temperature and their relative abundance and low cost. Secondly, an experimental work has been conducted on the synthesis of sulphide nanoparticles. Quasi-monodisperse nanoparticles with a size not exceeding 50 nm have successfully been fabricated via a low cost and easily scalable surfactant assisted solvothermal technique.

Les électrocatalyseurs conventionnels utilisés dans les piles à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont composés de nanoparticules de platine supportées sur des noirs de carbone de forte surface spécifique. A la cathode de la PEMFC, siège de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR), le potentiel électrochimique peut atteindre des valeurs élevées - notamment lors de phases arrêt-démarrage - engendrant des dégradations irréversibles du support carboné. Une solution « matériaux » consiste à remplacer ce dernier par des supports à base d’oxydes métalliques. Ceux-ci doivent être résistants à la corrosion électrochimique, conducteurs électroniques et posséder une structure poreuse et nano-architecturée (permettant le transport des réactifs et produits et une distribution homogène de l’ionomère et des nanoparticules de platine). Dans ce travail, nous avons donc élaboré et caractérisé des électrocatalyseurs à base de nanoparticules de platine (Pt) déposées sur du dioxyde d’étain (SnO₂) et de titane (TiO₂) texturés (morphologies aérogel, nanofibres ou « loosetubes ») et conducteurs électroniques (dopés au niobium Nb ou à l’antimoine Sb). Le support permettant d’atteindre les meilleures propriétés électrocatalytiques est un aérogel de SnO₂ dopé à l’antimoine, noté ATO. En particulier, l’électrocatalyseur Pt/ATO présente une activité spécifique vis-à-vis de l’ORR supérieure à celle d’un électrocatalyseur Pt/carbone Vulcan® synthétisé dans les mêmes conditions, suggérant des interactions bénéfiques entre les nanoparticules de Pt et le support oxyde métallique (Strong Metal Support Interactions, SMSI).Des tests de durabilité simulant le fonctionnement d’une PEMFC en conditions automobile ont été effectués en électrolyte liquide à 80 °C sur ces deux électrocatalyseurs : cyclage entre 0,60 et 1,00 V vs l’électrode réversible à hydrogène (RHE) ou entre 1,00 et 1,50 V vs RHE. Le catalyseur Pt/ATO présente une durabilité accrue par rapport au catalyseur Pt/carbone Vulcan® de référence. Cependant, de nouveaux mécanismes de dégradation ont été mis en évidence dans cette étude : tout d’abord, l’élément dopant Sb est progressivement dissout au cours du vieillissement électrochimique, ce qui implique une perte de conductivité électronique. Cette perte est en partie liée à des incursions à bas potentiel, notamment durant les caractérisations électrochimiques. De plus, entre 5 000 et 10 000 cycles de vieillissement électrochimique (entre 0,60 et 1,00 V vs RHE ou entre 1,00 et 1,50 V vs RHE à 57 °C), le matériau support perd sa structure poreuse et forme un film amorphe peu conducteur. / Conventional electrocatalysts used in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are composed of platinum nanoparticles supported on high specific surface area carbon blacks. At the cathode side of the PEMFC, where the oxygen reduction reaction (ORR) occurs, the electrochemical potential can reach high values - especially during startup-shutdown operating conditions - resulting in irreversible degradation of the carbon support. A “material” solution consists of replacing the carbon with supports based on metal oxides. The latter have to be resistant to electrochemical corrosion, be electronic conductor and have a porous and nano-architectural structure (for the transport of reagents and products and the homogeneous distribution of the ionomer and platinum nanoparticles).In this work, we have developed and characterized electrocatalysts composed of platinum (Pt) nanoparticles based on tin dioxide (SnO2) and titanium dioxide (TiO2) with optimized textural (aerogel, nanofibres or loosetubes morphologies) and electron-conduction properties (doped with niobium Nb or antimony Sb). The best electrocatalytic properties are reached for an antimony-doped SnO2 aerogel support, denoted ATO. The Pt/ATO electrocatalyst has especially a higher specific activity for the ORR than a Pt/carbon Vulcan® electrocatalyst, synthesized in the same conditions, suggesting beneficial interactions between the Pt nanoparticles and the metal oxide support (Strong Metal Support Interactions SMSI).Durability tests simulating automotive operating conditions of a PEMFC were carried out in liquid electrolyte at 57 °C on these two electrocatalysts by cycling between 0.60 and 1.00 V vs the reversible hydrogen electrode (RHE) or between 1.00 and 1.50 V vs RHE. The Pt/ATO electrocatalyst has an increased stability compared to the reference Pt/carbon Vulcan® electrocatalyst. However, new degradation mechanisms were highlighted in this study: first, the doping element (Sb) is progressively dissolved during electrochemical ageing, which implies a loss of electronic conductivity. This loss is partly due to incursions at low potential, including during electrochemical characterizations. Moreover, between 5,000 and 10,000 cycles of the accelerated stress tests (between 0.60 and 1.00 V vs RHE or between 1.00 and 1.50 V vs RHE at 57 °C), the support loses its porous structure and forms a poorly conductive amorphous film.

Les circulations de fluides dans la croûte sont les vecteurs de mobilités élémentaires dont une des conséquences est la concentration de métaux et la genèse de gisements. Ces fluides circulent dans les zones de déformation où ils modifient la composition des roches encaissantes. Dans la ceinture archéenne de roches vertes de Murchison (Afrique du Sud), l'Antimony Line est une zone déformée qui a été le siège de circulations de fluides minéralisateurs en Sb-Au. Pour caractériser les processus minéralisateurs, des données pétro-géochimiques, en particulier en isotopes stables et inclusions fluides, ont été associées à la datation multi-méthode (U-Th-Pb, Pb-Pb et Ar-Ar) des corps minéralisés et de leur encaissant au cœur et autour de l'Antimony Line. L'étude structurale de la région souligne le caractère distribué de la déformation. La ceinture a ainsi subi une phase majeure de collision d'arc, associée à un magmatisme important vers 2.97 Ga, contemporain d'une minéralisation en Au (±Sb) qui pourrait être responsable d'une phase de pré-enrichissement en Sb. La minéralisation principale en Sb est la conséquence de la circulation d'un fluide métamorphique à H2O-CO2, à 2-3 kbar et 350-450°C. L'albitisation de granitoïdes intrusifs dans l'Antimony Line, datée à 2.8 Ga, est génétiquement liée à cette circulation, laquelle s'inscrit donc dans l'histoire tectono-métamorphique tardive de la ceinture et est contemporaine de la mise en place de leucogranites sur la bordure sud. Ces résultats illustrent la pertinence du couplage pétro-géochimie/géochronologie pour la compréhension globale d'un système métallogénique.