Les propriétés texturales des supports sont intimement liées à l’organisation des cristallites de boehmite (AlOOH, nH2O) lors des procédés de synthèse et mise en forme. La modification de cette organisation par dispersion de la boehmite dans des alcools a pour conséquence une exaltation de la porosité extrêmement intéressante pour les applications en catalyse sensibles aux limitations diffusionnelles. La mise en place d’une voie originale de préparation des supports par dispersion de boehmite dans un mélange de solvants protiques polaires a permis de mettre en évidence un contrôle de la porosité en fonction des ratios entre les solvants. La nature du solvant influe sur la cinétique d’agrégation et donc sur l’organisation des particules. La modulation de l’encombrement stérique et de l’affinité du solvant pour la surface de la boehmite permettent de contrôler l’épaisseur de la couche de solvatation formée à la surface. En conséquence de cette microstructure particulière en dispersion, les propriétés de l’alumine finale peuvent être ajustées sur une large gamme de porosité à surface spécifique constante. L’impact sur les autres propriétés fonctionnelles du matériaux, comme les propriétés mécaniques et catalytiques a été évalué. Une approche par la micromécanique à plusieurs échelles a été élaborée et conduit à des modules élastiques proches de ceux mesurés par microindentation. L’activité en hydrodémétallation est significativement améliorée avec l’élévation de la porosité, tout en gardant une activité en hydrodésulfuration élevée. Cette démarche est prometteuse pour la prédiction des propriétés du support final à partir du contrôle de la microstructure de la dispersion. / Textural properties of catalytic supports are closely related to the organization of boehmite crystallites (AlOOH, nH2O) during the synthesis and the shaping. The modification of this organization by mixing the boehmite with alcohols leads to an increase of the porosity which is very interesting for catalysis processes sensitive to diffusional limitations. A novel way of support preparation obtained by dispersing boehmite in mixed protic polar solvents allows highlighting a control of the porosity depending on the solvents ratio. The kinetic of aggregation, and hence the particles organization, is influenced by the solvent nature. The tuning of the steric effect and the affinity of the solvent for the boehmite surface allows controlling the solvation layer thickness. Consequently of this particular microstructure in dispersion, the porosity can be tuned on a wide range, while keeping a constant specific surface area. The impact on the functional properties of the support, like the mechanical and the catalytic properties, are estimated. A two-nested scales micromechanical approach was carried out and leads to elastic modulus close to the experimental one. Hydrodemetallization activity is greatly enhanced with the porosity, while preserving a high hydrodesulfurization activity. This study is promising in order to predict the properties of the final support from the control of the dispersion microstructure.

Les biomolécules sont naturellement immergées dans l’eau, qui joue un rôle clé dans de nombreux processus biologiques. Réciproquement, les propriétés de l’eau sont affectées par la présence de la biomolécule. Dans cette thèse, nous combinons modèles théoriques et simulations numériques pour obtenir une description à l’échelle moléculaire des interactions entre une biomolécule et son environnement. Le manuscrit est structuré en deux parties, abordant deux aspects complémentaires de cette interaction complexe. La première partie est consacrée à la perturbation induite par une biomolécule sur l’eau. Nous déterminons en quoi la couche d’hydratation diffère de l’eau bulk et identifions les facteurs moléculaires en jeu. Nous comparons ensuite les couches d’hydratation d’une protéine antigel et d’une protéine modèle afin de déterminer si les propriétés d’hydratation peuvent expliquer l’activité antigel. Nous étudions enfin la dynamique d’hydratation de l’ADN. Nous obtenons une image résolue spatialement des propriétés de sa couche d’hydratation et y caractérisons les différentes sources d’hétérogénéité. La deuxième partie s’intéresse au rôle de l’environnement sur la catalyse enzymatique. Nous étudions deux systèmes distincts, avec des questions différentes mais une même méthodologie. Nous examinons d’abord le rôle de résidus dans le site actif de la dihydrofolate réductase et obtenons une interprétation moléculaire de résultats expérimentaux récents. Enfin, nous nous intéressons à la catalyse enzymatique en solvant organique, où l’addition de petites quantités d’eau permet d’accélérer la réaction. Nous recherchons une description à l’échelle moléculaire de cet effet. / Biomolecules are immersed in an aqueous solvent, which plays a key role in a wide range of biochemical processes. In addition, the properties of water molecules in the hydration shell are perturbed by the presence of the biomolecule. In this thesis, we combine theoretical models and numerical simulations to provide a molecular description of the interplay between a biomolecule and its environment. The manuscript is structured in two parts, addressing two complementary aspects of this complex interaction. In the first part we focus on the perturbation induced by a biomolecule on water molecules. We determine how much the hydration shell differs from bulk water and we identify the molecular factors at play. We then compare the hydration shells of an antifreeze protein and of a typical protein and investigate whether the shell structure and dynamics can explain the antifreeze properties. We finally study the hydration dynamics of a DNA dodecamer where slow water dynamics was suggested. We obtain a spatially resolved picture of DNA hydration and investigate the sources of heterogeneity. In the second part we examine the role of the environment in the chemical step of enzyme catalysis. We focus on two distinct systems with different questions, but relying on a common simulation methodology. We first examine the role of specific active site residues in catalysis by dihydrofolate reductase and we provide a molecular interpretation of recent experimental results. We finally study the role of water in enzyme catalysis in organic solvents, where addition of small amounts of water was shown to accelerate the chemical step. We seek a molecular scale description of this effect.

Cette thèse décrit l'étude réalisée sur des complexes portant le ligand pince indendiide, incluant leur synthèse et caractérisation ainsi que leur activité en catalyse coopérative métal/ligand de cycloisomérisation d'acide alcynoïques et N-tosyl alkynylamides. Le premier chapitre fait un point bibliographique non-exhaustif du domaine de la catalyse coopérative métal/ligand, des premiers travaux précurseurs de Noyori sur les processus d'hydrogénation avec des complexes amido de ruthénium aux récents travaux de Milstein avec des complexes pince à base de pyridine déaromatisée. Le deuxième chapitre porte sur le développement de nouveaux complexes pince indendiide du Pd et leur application en catalyse coopérative métal/ligand. La modification structurale réalisée, remplacement des substituants Ph sur l'atome de phosphore par des iPr, visait à augmenter la robustesse des complexes et améliorer ainsi leur performance en catalyse. Deux nouveaux complexes ont été préparés et entièrement caractérisés (RMN, IR, DRX). Les premières évaluations d'activité catalytique ont en effet révélé une meilleure activité de ces nouveaux complexes comparés à leurs prédécesseurs, puisqu'ils sont capables de cycloisomériser de manière efficace les N-tosyl alkynyl amides. Une large gamme de substrats a été étudiée, incluant N-tosyl alkynyl amides linéaires non-substituées et substituées, d'autres à base de squelette phénylène, et même celles à alcyne en position interne. De manière générale, une majorité d'exo-lactames est formée avec des très bons rendements (~90%) sauf lorsque l'alcyne est en position interne, cas dans lequel l'endo-lactame est formée préférentiellement. Il est important de souligner que le résultat phare de ce chapitre est la préparation pour la première fois de methylène lactames à 7-chainons par cycloisomérisation. Malgré les avancées notables atteintes dans ce chapitre, la grand modularité des complexes pince étudiés permet d'espérer des améliorations du système catalytique. Ces améliorations sont présentées lors du troisième chapitre. Il s'agit ici de remplacer l'atome de Pd par le Pt. Les nouveaux complexes préparés ont été évalués dans la cycloisomérisation de acides alcynoïques et N-tosyl alcynyl amides et le meilleur d'entre eux a été identifié (dimère à groupement iPr sur l'atome de P). A nouveau une large gamme de substrats, acides et amides, a été étudiée faisant varier la taille de cycle et la position de l'alcyne. La stratégie s'est avérée fructueuse puisque de manière générale ce complexe de Pt s'est montré plus actif que l'équivalent à base de Pd. En particulier, ce complexe présente une activité remarquable pour la transformation d'alcynes internes et la formation de cycles à 6 et 7-chaînons. La connaissance approfondie du mécanisme de la réaction a conduit aussi à l'utilisation d'additifs donneurs de liaison H afin de favoriser la réaction de cyclisation. Grâce à l'utilisation du pyrogallol, la vitesse de réaction et la sélectivité 6-endo (vs 5-exo) et 6-exo (vs 7-endo) ont été améliorées de manière significative. Pour la première fois, une grande variété de d et e-lactones et lactames ont pu être préparées avec des très bonnes sélectivités et rendements. L'ensemble de ces résultats souligne les propriétés uniques de ces complexes pince indendiide et étend leurs applications catalytiques. / This work contributes to the study of new indenediide pincer complexes, including their synthesis, characterization, and finally their activity in metal-ligand cooperative catalytic cycloisomerization of a range of alkynoic acids and N-tosyl alkynylamides. The 1st chapter compiled a non-exhaustive bibliographical survey of the field of metal-ligand cooperation in catalysis, from the pioneering work of Noyori using amido-Ruthenium complexes for hydrogenation, to the recent work of Milstein with pincer complexes based in dearomatized pyridine. The 2nd chapter of this thesis is dedicated to the development of the newly-tuned Pd indenediide pincer complexes and their application in metal-ligand cooperative catalysis. A structural modulation, by varying the R substituents Ph at phosphorus with iPr, was performed in attempt to increase the robustness of the Pd pincer complexes and enhance thereby their catalytic performance. Thus, two novel complexes were successfully synthesized and fully characterized (NMR, IR, XRD). Initial study demonstrated a better performance of the new complexes than their predecessor, as the cycloisomerization of N-tosyl alkynyl amides can be efficiently achieved. Moreover, the N-tosyl alkynyl amide scope was extensively studied, from linear non-substituted C5-C7, then substituted, benzo-fused, and finally to internal alkyne ones. Eventually, a majority of exo lactams products, together with the unusual internal endo lactam can be prepared in excellent yields (most often 90 %). Note that the obtaining for the first time of 7-member ring methylene caprolactam via a cycloisomerization was pretty inspiring. Nevertheless, improvements for the current catalytic system remain. The 3rd chapter of this thesis is devoted to further modulation of the pincer complexes, in particular the switching of metal center from Palladium to Platinum. The newly-synthesized Pt complexes were evaluated in the cycloisomerization of N-tosyl alkynylamides and alkynoic acids, and the dimeric complex with iPr groups at the P atoms exhibited the best performance. The substrate scope was further extended to more challenging ones. In most cases, reactions were remarkably accelerated. Direct comparisons upon amides and acids bearing internal alkyne further indicated that the Pt complex outperformed its Pd analogue. In particular, the Pt pincer complex is extremely efficient for the formation of 6 and 7-membered rings. In light of in-depth understanding of the mechanism, several selected additives were employed as H-bond donor, to reinforce the cyclization. The reaction rate and selectivity for 6-endo (vs 5-exo) as well as 6-exo (vs 7-endo) cyclizations was greatly improved by using pyrogallol. For the first time, a large variety of d and e-lactones/lactams could be prepared with high selectivities and in very good yields. These results emphasize the unique properties of SCS indenediide pincer complexes and extend further their catalytic applications.

Les catalyseurs Ziegler Natta pour la polymérisation des oléfines sont généralement obtenus par réaction entre un complexe de métal de transition avec un alkylaluminium ou un autre co-catalyseur. Généralement, pour le catalyseur Ziegler-Natta moléculaire, l'espèce active est un complexe cationique. Cependant, la coordination de l'oléfine sur l'espèce active peut concurrencer avec le métal alkyl, le solvant, ou le contre-ion qui se trouvent dans le milieu réactionnel. Par conséquent la détermination de la fraction des sites actifs est un des principaux défis dans le domaine des polyoléfines. Plusieurs méthodes ont été étudiées pour mesurer les sites actifs. La méthode la plus fiable est celle basée sur la mesure du nombre des macromolécules dans les premiers instants de la polymérisation. Cette méthode nécessite de travailler dans un régime contrôlé où les réactions de transfert de chaîne sont négligeables. Pour certains catalyseurs Ziegler-Natta qui polymérisent dans conditions « extrêmes » (très basses températures), ce régime contrôlé dure plusieurs minutes. Pour la plupart des catalyseurs le régime contrôlé dure quelque secondes ou fractions de secondes. Dans ces cases il faut appliquer une technique cinétique très rapide : le Quenched Flow. Cette technique a toujours été mise en œuvre pour travailler dans des faibles conditions expérimentales. Le réacteur Quenched Flow utilisé dans cet étude a été conçu pour mesurer la constante de propagation de chaîne et surtout la fraction des sites actifs [M*]/[M]. La première partie de cette thèse est dédiée à l'étude des catalyseurs métallocène. Le comportement de ces catalyseurs dans les premiers instants de polymérisation avec différents activateurs a été observé. Une description cinétique a été possible pour certains systèmes catalytiques. La partie finale de la thèse a été dédiée à l'étude des catalyseurs post métallocène. La fraction des sites actifs, [M*]/[M], est la constante de propagation de chaînes, kp, ainsi les principaux paramètres d'activation S‡ et H‡ pour le complexe Bis(cumyl)[ONNO]ZrBz2 activé en utilisant MAO/tBu2-PhOH ont été déterminés sur un large plage de températures. Pour le complexe [N-(3-tert-butylsalicylidene)-2,3,4,5,6 pentafluoroanilinato] titanium activé par le MAO un changement de régime cinétique a été observé à hautes températures / Ziegler-Natta catalysts are generally obtained by the combination of a transition metal complex with an alkylaluminium compound and possibly another co-catalyst. For molecular Ziegler-Natta catalyst, generally, the active species is a cationic compound. However, in regards to the actives species, the olefin may compete in the polymerization medium with other metal alkyl, the solvent or the counteranion. Thus, it is not an easy task to determine the total active metal site fraction which remains an important challenge in the field of polyolefins. Several methods have been developed to perform this measurement. Among these the most reliable one is rely on the determination of number of macromolecules formed initially, and it requires working in initial controlled regime where the chain transfer reactions are very limited. It should be possible to achieve the controlled regime for molecular catalyst for time going from several milliseconds to fraction of second. This means that technically demanding fast kinetic techniques such as quenched flow technique are necessary for the investigation of kinetic parameters of olefin polymerization catalysts. Up to now this technique has been only implemented in very mild conditions. Recently a stopped flow reactor operating at high temperature and high pressure has been developed in Lyon. In the present study, the usefulness of this reactor for measuring the chain propagation rate constant kp and the fraction of metal active site [M*]/[M] is assessed. In the first part of this work we have focused on the investigation of some metallocene-based catalysts. In particular, we have observed how these catalysts behave at initial stage of polymerization, when they are activated with different co-catalyst and in some case a kinetic description was also possible. The last part of this work was dedicated to kinetic study of some post-metallocene catalysts such as amine bisphenolate and (bis phenoxy-imine) -Zr and -Ti based complexes activated with MAO in a large range of polymerization temperatures. A successful kinetic investigation of Bis(cumyl)[ONNO]ZrBz2 complex activated with MAO/tBu2-PhOH has been performed which allowed the determination of [M*]/[M], kp and activation parameters such as H‡ and S‡. In the case of [N-(3-tert-butylsalicylidene)-2,3,4,5,6 pentafluoroanilinato] titanium dichloride activated with MAO an original changing in kinetic regime is reported by increasing the polymerization temperature

La synthèse et la caractérisation de la structure électronique de nanosystèmes contenant des complexes redox en forme d'étoile ou dendritiques ont été conduites en vue d'applications dans le domaine des matériaux et de la catalyse. La première partie est consacrée à la description de ces nanomatériaux, la seconde partie à la synthèse et aux propriétés de nanoparticules métalliques pour des applications biomédicales et catalytiques, et la troisième partie à la mise en œuvre et optimisation des propriétés catalytique de nanoréacteurs moléculaires et nanoparticulaires. Ces nanoréacteurs catalytiques se sont montrés particulièrement efficaces pour des réactions de métathèse oléfiniques et pour des réactions de couplage carbone-carbone de type Miyaura-Suzuki. Les réactions catalytiques ont pu être conduites dans l'eau avec des quantités extrêmement faibles de catalyseur. Dans ce dernier cas, le caractère « homéopathique » des catalyseurs a même pu être démontré. / Synthesis and characterization of the electronic structures of star-shape and dendritic and nanoparticle-centered nanosystems containing redox-active groups have been carried out for applications in materials chemistry and catalysis. The first part of the manuscript describes molecular nanomaterials, the second part nanoparticles for catalytic and biomedical applications, and the third part catalytic processes optimized in nanoreactors of molecular or nanoparticle types. The catalytic nanoreactors have been shown to be extremely efficient for olefin metathesis reactions and for Miyaura-Suzuki reactions. Catalytic reactions could be performed in water using extremely low amounts of nanoreactor-stabilized catalysts. In the latter example, catalysis is even « homeopathic ».

Dans cette thèse, la synthèse, la caractérisation et les applications en catalyse de nanoparticules mono- et bimétalliques à base de rhodium sont décrites. Le rhodium a été choisi comme métal central de cette étude en raison de son intérêt reconnu en catalyse, principalement pour les réactions d'hydrogénation et d'hydroformylation. La synthèse de nanoparticules de rhodium monométalliques constitue le coeur de ce travail. Elle a été réalisée par décomposition du complexe organométallique [Rh(C3H5)3] en solution, sous pression de dihydrogène et en présence de différents stabilisants tels que des ligands et des polymères pour contrôler la croissance des particules. Certaines nanoparticules ont été déposées sur la surface d'une silice magnétique fonctionnalisée par des groupements amines utilisée comme support, dans un objectif de récupération plus aisée pour le recyclage des catalyseurs. Diverses nanoparticules bimétalliques ont également été préparées par co-décomposition du complexe [Rh(C3H5)3] avec d'autres précurseurs organométalliques, incluant [Ni(cod)2], [Ru(cod)(cot)], [Pt(nor)3] et [Pd(dba)2]2. En modulant les ratios de métaux entre [Rh] et le second métal [M], ainsi que la nature et la quantité de stabilisant utilisé pour la synthèse, des nanoparticules de tailles et de compositions chimiques différentes ont pu être obtenues. La caractérisation des nanoparticules ainsi préparées a été menée en utilisant une combinaison de techniques de l'état de l'art (TEM, HRTEM, STEM-EDX, ICP, WAXS, EXAFS, XANES, XPS, RMN ...). Pour certaines nanoparticules de rhodium, des études de surface ont été réalisées, par adsorption du CO sur la surface des particules et un suivi par des techniques spectroscopiques (FT-IR, RMN) pour sonder leur état de surface. Un autre aspect de ce travail a concerné l'évaluation des nanoparticules synthétisées dans des réactions catalytiques, en particulier réactions d'hydrogénation avec des particules monométalliques de Rh et réaction d'hydrogénolyse avec des nanoparticules bimétalliques RhNiOx. Dans le cas de la catalyse d'hydrogénation, des études en conditions colloïdales et supportées ont été réalisées. L'originalité de ce travail réside dans le développement d'outils de synthèse simples inspirés de la chimie organométallique pour obtenir des nanoparticules à base de rhodium bien contrôlées en termes de taille, distribution en taille, composition et état de surface, tous ces paramètres étant importants quelle que soit l'application visée. L'intérêt des nanoparticules obtenues en catalyse a également été mis en évidence dans différentes réactions. Ce travail de thèse offre de nouvelles opportunités de recherche, tant en nanochimie qu'en catalyse. / In this thesis, synthesis, characterization and catalytic applications of mono- and bi-metallic rhodium-based nanoparticles are reported. Rhodium has been chosen as a primary metal given its high interest in catalysis, mainly in hydrogenation and hydroformylation reactions. The synthesis of mono-metallic rhodium nanoparticles (NPs) is the core of this work. It was performed by decomposition of the organometallic complex [Rh(C3H5)3] in solution under dihydrogen pressure and in the presence of different stabilizers including ligands and polymers to control the growth of the particles. Selected nanoparticles were deposited on the surface of amino-functionalized magnetic silica as a support for recovery and recycling concerns in catalysis. Diverse bi-metallic nanoparticles have been also prepared in one-pot conditions by co-decomposition of the [Rh(C3H5)3] with other organometallic precursors including [Ni(cod)2], [Ru(cod)(cot)], [Pt(nor)3] and [Pd(dba)2]2. Tuning of the metal ratios between [Rh] and the second metal [M], or of the nature and the amount of the stabilizer used for the synthesis allowed to obtain nanoparticles of different sizes and chemical compositions. The characterization of the obtained nanoparticles was performed by using a combination of state-of-art techniques (TEM, HRTEM, STEM-EDX, ICP, WAXS, EXAFS, Xanes, XPS, NMR...). Surface studies were carried out in some cases, by adsorbing CO on the surface of the particles which was followed by spectroscopic techniques (FT-IR, NMR) to probe their surface state. Some of these nanoparticles were investigated in catalytic reactions, mainly hydrogenation with Rh NPs and hydrogenolysis for RhNiOx NPs. Both colloidal and supported catalytic studies were carried out in the case of hydrogenation catalysis. The originality of this work lies in the development of simple synthesis tools inspired from organometallic chemistry to get well-controlled rhodium-based nanoparticles in terms of size, size distribution, composition and surface state, all these parameters being important whatever the target application. The interest of the obtained nanoparticles in catalysis has been also evidenced in different reactions. This PhD work may open new opportunities of research both in nanochemistry and catalysis.

L'objectif de ce travail est de développer un système catalytique hétérogène pour l'époxydation en utilisant directement O2 de l'air plutôt que H2O2 commercial. La stratégie adoptée a été de coupler la production in situ de H2O2, catalysée par la glucose oxydase (GOx), avec un catalyseur à base de Ti. La GOx a été immobilisée de manière covalente sur une mousse silicique mesocellulaire (MCF) amino-fonctionnalisée puis la stabilité thermique et aux solvants organiques de MCF-NH2-GOx a été étudiée. L'approche visant à ancrer Ti puis la GOx sur le même support n’a pas abouti à un catalyseur tandem efficace du fait d'un recouvrement de Ti par –NH2. L’hydrophilie de MCF apparaît, de plus, défavoriser l'oxydation d'alcènes organosolubles. Une option a consisté à utiliser la zéolithe TS-1 hydrophobe et réputée fonctionner en milieu aqueux mais dont les micropores ne peuvent loger la GOx. Cette dernière, associée à MCF-NH2-GOx en mélange mécanique, s’est montrée performante pour l'oxydation du cyclohexène dans MeOH/tampon acétate 50:50 à 35°C (rendement de 50% en époxyde et ses dérivés). D’encore meilleurs résultats ont été obtenus pour le prop-2-ène-1-ol en milieu aqueux à 40°C (rendement de 87% en glycérol). L’attaque basique de TS-1 crée une porosité suffisante pour loger la GOx, mais endommage son activité. En revanche, le recouvrement de MCF par un film de TS-1 a eu un effet bénéfique sur l’oxydation du prop-2-ène-1-ol dans l’eau par H2O2. Enfin, la porphyrine Mn-TCPP s’est montrée efficace comme catalyseur d'oxydation en tandem avec la GOx en solution mais, en cas d’immobilisation sur le support silicique MCF, la formation d’un précipité inhibe son activité. / The objective of this work was to develop an heterogeneous catalyst system supplied by dioxygen, rather than commercial H2O2, in order to carry out epoxidation reactions. Our strategy was to couple the in situ production of H2O2, catalyzed by glucose oxidase (GOx), with a Ti-based catalyst. The enzyme was covalently grafted onto a silicic mesocellular foam (MCF) functionalized by aminopropyle groups, then the thermal stability and behavior in organic solvents of the resulting material were investigated. The approach aiming at anchoring Ti, then GOx on the same support did not result in an effective tandem catalyst because of a too high –NH2 surface coverage. Hydrophilicity of MCF makes the oxidation of organosoluble alkenes unefficient. An alternative approach consisted in using the hydrophobic TS-1 zeolite known to operate in aqueous medium but whose micropores do not allow GOx hosting. However, TS-1 combined in a mechanical mixture with GOX immobilized on MCF turned out to be effective for the oxidation of cyclohexene in MeOH/acetate buffer 50:50 at 35°C (50% yield of epoxide and its derivatives). Even better performances were obtained for prop-2-ene-1-ol oxidation in aqueous medium at 40°C (87 % yield of glycerol). The basic attack of TS-1 has created mesoporosity to host GOx but damaged active Ti sites. On the other hand, TS-1 coated MCF appeared to be a good option having a beneficial effect on the oxidation of prop-2-en-1-ol in water by H2O2. Finally, a manganese porphyrin, Mn-TCPP, was also tested successfully as alkene oxidation catalyst in combination with GOx but, in case of immobilization, the presence of the silicate support lead to a deactivated catalyst.

Les recherches menées dans le domaine des piles à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEMFCs) depuis le début des années 1980 ont permis de considérablement améliorer leurs performances. Deux principaux verrous persistent néanmoins au niveau des catalyseurs : le coût et la stabilité. En effet, pour obtenir de bonnes performances, il faut que la couche active cathodique soit relativement chargée en métaux nobles, comme le platine, ce qui a un coût important. En plus d’être couteux, les catalyseurs utilisés commercialement sont sujets à différents phénomènes de dégradation, notamment l’oxydation du support carboné. Les travaux décrits dans cette thèse visent à produire des catalyseurs bimétalliques supportés sur des nanotubes de carbones dopés, afin de préparer des structures actives pour la Réaction de Réduction de l’Oxygène (ORR) et résistantes dans les conditions de fonctionnement des PEMFCs. La première étape a été la synthèse de nanotubes de carbone dopés à l’azote (N-CNT) ou au soufre (S-CNT). Différents traitements et fonctionnalisations ont été testés pour faciliter le dépôt et la dispersion de nanoparticules métalliques à la surface des nanotubes, faciliter l’intégration du catalyseur dans la couche active et ralentir le phénomène d’oxydation du carbone. Des nanoparticules bimétalliques PtCo et PtNi ont été préparées en utilisant une méthode de synthèse originale utilisant un liquide ionique comme stabilisant. Tous les catalyseurs ainsi synthétisés ont présenté des surfaces électro-actives (ECSA) élevées et de bonnes activités pour l’ORR. Les plus pertinents ont été étudiés en mono-cellules de 25 cm². Ils présentent de meilleurs résultats aux tests de dégradation accélérés du support carboné, comparés à une référence commercial PtCo supporté sur noir de carbone. Une diminution du chargement en platine de la couche active cathodique de 0,4 mgPt/cm² à 0,2 mgPt/cm² a permis d’améliorer les performances de la mono-cellule en diminuant notamment les limitations dûes au transport de matière dans la couche active. / Researches on the field of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) since the early 1980s have greatly improved their overall performances. Nevertheless, there are still two main issues with the catalyst: the cost and the stability. In order to obtain good performances, the cathodic active layer generally shows very high loadings with noble metals such as platinum that explain the high costs. In addition to this cost, various phenomena of degradation and in particular the oxidation of the carbon support can be observed on commercially used catalysts. The aims of this work is to produce bimetallic catalysts supported on doped carbon nanotubes in order to obtain active structures for the Oxygen Reduction Reaction (ORR) and resistant under the operating conditions of the PEMFCs. The first step was the synthesis of carbon nanotubes doped with nitrogen (N-CNT) or with sulfur (CSx). Different treatments and functionalizations have been tested to facilitate the deposition and the distribution of metal nanoparticles on the surface of the nanotubes and to facilitate the integration of the catalyst in the active layer. Carbon nanotubes have been chosen because they are known to be less reactive for oxidation than carbon blacks. The bimetallic nanoparticles PtCo and PtNi were prepared using an original synthetic route using an ionic liquid as a stabilizer. All the catalysts synthesized exhibited good electro-active surface area (ECSA) and excellent activities for ORR. The most relevant catalysts were studied in monocells of 25 cm². They show better results in accelerated degradation tests of the carbon support, compared to a PtCo commercial reference supported on carbon black. A reduction in the platinum loading of the cathodic active layer from 0.4 mgPt/cm² to 0.2 mgPt/cm² improves the performances of cell by reducing the limitations due to the transport of material in the active layer.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet CHEMLIVAL qui vise à valoriser la lignine en composés aromatiques fonctionnalisés (fonction : aldéhydes, acides carboxyliques, phénols) pour des applications en chimie fine ou polymères. Pour ce faire, nous avons étudié la valorisation de la lignine par voie d'oxydation catalytique hétérogène en milieu alcalin, une méthodologie respectueuse de l'environnement, pour la production de composés aromatiques telle que la vanilline ou la syringaldéhyde. Précédés par une caractérisation poussée des lignines utilisées dans cette étude, une optimisation des paramètres de la réaction (température, pression, catalyseurs…) ainsi que des suivis cinétique ont été réalisés. Ainsi des résultats comparables, voire supérieurs, à ceux décrits dans la littérature ont été obtenus. Ces travaux ont montré que la nature de la lignine ainsi que le procédé d'extraction lié à celle-ci avaient une grande influence sur les rendements en composés aromatiques. De plus, les résultats obtenus ont permis de proposer un schéma réactionnel d'oxydation de la lignine. L'utilisation d'un catalyseur (Pt/TiO2) a montré un effet bénéfique sur les rendements en composés aromatiques, probablement via un nouveau mécanisme d'oxydation de la lignine métallo-initié qui reste encore à élucider / This work is part of the CHEMLIVAL project aiming at the lignin valorization into functionalized aromatics compounds (functions : aldehydes, carboxylic acids, phenols) for fine chemistry or polymer applications. With this in mind, we studied lignin valorization through heterogeneous catalytic oxidation in alkaline media, an environmental friendly approach, for the production of aromatic compounds such as vanillin or syringaldehyde. After an extensive characterization of the different lignin samples used, we proceeded to an optimization of the conditions parameters (temperature, pressure, catalysts…) and kinetics study. As a results, yields similar or even higher than those reported in the literature were obtained. This work demonstrated that the lignin source as well as its extraction process has a great influence over the aromatic yields. Furthermore, the results acquired allowed us to propose a reaction scheme for lignin oxidation. The use of a catalyst (Pt/TiO2) was found to be beneficial for the production of aromatic compounds probably due to metallo-initiated mechanism that still needs to be identified

Un aspect clé permettant de surmonter les défis énergétiques et environnementaux est d'améliorer l'efficacité des nouveaux procédés. La plupart des produits chimiques majeurs se faisant par des procédés catalytiques, une meilleure compréhension des cinétiques de réaction est nécessaire. Dans le domaine du traitement des eaux usées, l'ozonation catalytique est en un exemple typique. Dans cette thèse, des microréacteurs catalytiques sont utilisés en tant qu’outils analytiques innovants afin de déterminer la cinétique de l'ozonation catalytique. Ceux-ci ont pu être élaborés à l'aide de procédés plasma en déposant et en activant un catalyseur à base d’oxyde de fer et de cobalt. L’efficacité de ces catalyseurs a été mesurée en utilisant de l'acide pyruvique en tant que polluant modèle. Pour Fe2O3, les mesures HPLC ont montré l'inactivité de celui-ci par rapport à Co3O4 (20%). Cet effet a été doublé après post-traitement par un plasma d'Ar, démontrant ainsi le rôle du plasma. Une simulation numérique portant sur les réactions à la surface du catalyseur a été réalisée en utilisant le logiciel Comsol Multiphysics. Le modèle utilisé s’est partiellement approché des données expérimentales en raison du manque de données concernant les constantes de réactions des espèces intermédiaires. Ces constantes cinétiques pourront être déterminées grâce à l'utilisation de la technique de spectroscopie Raman Anti-Stokes Cohérente (technique CARS) en tant qu’outil d'analyse en temps réel. En perspectives, l’utilisation de cette dernière conduira à l’élaboration d’un outil efficace qui pourrait prédire la pertinence et les futures stratégies d'amélioration sur des réactions chimiques catalysées. / A key aspect in overcoming the energy and environmental challenges is to improve the efficiency of existing and new processes. Nowadays, almost all major chemicals are produced by catalytic processes. However, a better understanding of the reaction pathways and kinetics is needed. In the field of wastewater treatment, catalytic ozonation is a typical example of this problem. In this study, catalytic microreactors were used as innovative analytical tools for the determination of kinetics of catalytic ozonation and were elaborated by using low pressure plasma processes for the deposition and activation of iron and oxide-based catalysts on polymer-based materials. Catalytic ozonation with pyruvic acid as a refractory probe compound was performed with both catalysts. HPLC measurements showed the inactivity of the iron oxide layer compared to the cobalt oxide one which led to 20 % of degradation. The effect was doubled when the latter was post-treated by an argon plasma, demonstrating the role and importance of the plasma post-treatment step. A numerical study dealing with the reactions taking place on the surface of the catalyst was carried out using the Comsol Multiphysics software and showed that the model partially fitted the experimental data due to the lack of information. However, access to the reactions rate constants of the intermediate species generated during the catalytic ozonation step could be achieved through the use of the Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy technique and would lead to an efficient tool to predict the relevance and the direction of future improvement strategies regarding catalyzed chemical reactions.