Thesis (doctoral)--Universidad de los Andes. / Includes bibliographical references (p. [105]-118).

La presente Tesis Doctoral consiste en la formación y desarrollo de hidratos de metano en el espacio confinado de nanomateriales porosos (carbones y MOFs) para ser utilizados como sistemas eficientes de almacenamiento de metano (gas natural). La tesis está dividida en dos secciones. En la primera sección, se explica el estado actual del arte y la necesidad de buscar alternativas a los sistemas de almacenamiento de metano por compresión y licuefacción. Además, se explican los materiales evaluados, así como las diferentes técnicas experimentales utilizadas para su caracterización, con especial énfasis en la caracterización de los hidratos de metano. En la segunda sección de la tesis, se recogen los resultados más relevantes en 5 capítulos. En el primer capítulo se estudian los procesos de congelación y fusión de agua en un carbón activado y el efecto que produce la aplicación de presión de metano en materiales semejantes en composición, pero diferente tamaño de poro. En el tercer capítulo se evalúa la formación de hidratos en un carbón activado con aditivos para promover cinética y termodinámicamente el crecimiento del mismos. En el cuarto capítulo se utiliza se utiliza agua marina y se compara sus efectos en los hidratos con respecto a agua destilada. En el quinto capítulo se seleccionan dos MOFs altamente porosos como alternativas a carbones para crecer cristales de hidratos.

Les performances de carbones synthétiques présentant différentes morphologies et chimie de surface (nano-diamant, onion, nanotubes, Sibunit-4, Sibunit-4 oxydé) et de catalyseurs supportés à base de Fe ou de Ru dans l’oxydation en voie humide par le peroxyde d’hydrogène ou l’oxygène de composés modèles ayant différentes propriétés d’adsorption et un caractère plus ou moins réfractaire à l’oxydation (phénol, éthanol, acide formique) ont été systématiquement étudiées. Les matériaux carbonés ne contenant pas de métal sont extrêmement peu actifs dans l’oxydation des composés modèles par H2O2 ou O2, quelles que soient leur morphologie et la concentration en groupements oxygénés de surface. En présence d’ions Fe(III), les carbones de type graphite accélèrent l’oxydation des substrats organiques par H2O2, alors que les nano-diamants inhibent la réaction. Une explication, basée sur la conductivité de ces matériaux, a été proposée. L’activité des échantillons Sibunit-4 oxydé dans l’oxydation par H2O2 en présence ou non de Fe(III) décroît proportionnellement avec l’augmentation de la concentration en groupements acides de surface. L’oxydation est totalement inhibée lorsque cette dernière excède la concentration en fer dans la solution, du fait de la sorption de Fe sur ces groupements fonctionnels. L’activité des catalyseurs Ru/C dans l’oxydation par l’oxygène du phénol est affectée de deux façons différentes lors de la pré-oxydation du support : la plus grande concentration en groupements fonctionnels permet une meilleure dispersion du ruthénium, alors que l’on observe simultanément une diminution de la surface spécifique des échantillons qui est défavorable à l’activité catalytique. / The performances of pure synthetic carbons with different morphologies and surface chemistry (nano-diamond, onion-like carbon, catalytic filamentous carbons, graphite-like carbon Sibunit, oxidized Sibunit) and carbon-supported Fe or Ru catalysts in the Catalytic Wet Peroxide Oxidation (CWPO) and the Catalytic Wet Air Oxidation (CWAO) of model substrates with distinct sorption tendencies and stabilities towards oxidation (phenol, ethanol, formic acid) were systematically investigated. Metal-free carbon materials are inactive or only very little active in the oxidation of model substrates with H2O2 or oxygen, regardless of their morphology and the concentration of O-containing surface groups. In the presence of Fe(III) ions, graphite-like carbons essentially accelerated the CWPO of organic substrates, whereas NDs inhibited the reaction. An explanation, based on the conduction properties of the material, was proposed. The catalytic activity of the oxidized Sibunit-4 samples in the CWPO in the presence or in the absence of Fe(III) decreased proportionally to the increase of the concentration of surface acidic groups. The oxidation was completely inhibited when the concentration of acidic groups exceeded the concentration of iron in solution because of the sorption of the iron cations on these functional groups. The activity of the Ru/C catalysts in the CWAO of phenol was affected in two different ways upon pre-oxidation of the support: the higher concentration in surface functional groups allowed a better dispersion of the Ru particles, while the oxidation induced a decrease of the surface area which was detrimental to the catalytic activity.

Les développements récents des nanotechnologies ont permis d’accéder à des dimensions qui permettent d’’étudier les spins des électrons. Ceci ouvre la voie à l’utilisation du degré de liberté du spin des électrons dans des dispositifs électroniques de nouvelle génération. C’est l’origine d’un nouveau domaine de recherche prometteur baptisé spintronique.Dans ce travail, on présente des expériences dans le domaine de la spintronique en utilisant deux matériaux très prometteurs : les nanotubes de carbone (CNT) et le palladiumnickel (PdNi), un ferromagnet versatile dans le but de manipuler le spin électronique dans les deux régimes, classiques et quantiques. Une compréhension détaillée des caractéristiques magnétiques de PdxNi 100-x devient cruciale à la fois pour comprendre les caractéristiques de basculement d’un tel dispositif mais aussi pour optimiser ses propriétés électroniques.Une étude sur des structures micrométrique et nanométrique en PdNi a été menée grâce à des mesures de l’effet Hall extraordinaires (EHE sur des croix lithographiées). Les analyses montrent que la géométrie, l’épaisseur, la composition chimique ainsi que la couche de recouvrement, ont tous une influence sur l’aimantation des électrodes de PdNi, en particulier celles de taille nanométrique. Cela est dû à la relaxation des contraintes sur les bords qui devient important pour les dispositifs de petites dimensions.On met en place un point quantique connecté `a deux contacts ferromagnétiques non colinéaires (source et drain), évaporées sur le CNT; le nanotube est connecté à une tension de grille pendant qu’une source de tension source-drain est utilisée pour varier le potentiel chimiques des ferromagnets. Les électrodes sont conçues pour former un angle téta = Pi/2. On attend alors un comportement similaire à celui d’une vanne de spin, donc un effet fini de magnétorésistance à effet tunnel est à prévoir.Des mesures de transport de spin ont révélé un régime de blocage de Coulomb, confirmé par la spectroscopie de transport. Les régimes linéaires et non-linéaires ont été également testés.En régime linéaire, les résultats montrent un signal de TMR lorsqu’il est placé dans un champ qui est balayé, un comportement typique pour un dispositif vanne de spin. Dans le régime non linéaire, ont été obtenues des variations du signal d’hystérésis lorsque la polarisation change de signe. De plus, la TMR affiche un comportement presque antisymétrique avec la conductance. Les mesures réalisées pour différentes valeurs de la tension grille et celle source drain prouvent la non trivialité de ce comportement. Cette variation antisymétrique, qui a la même symétrie que le courant, indique un courant de spin induite par un phénomène de précession. Des simulations théoriques appuient également cette hypothèse: une combinaison de phénomènes d’accumulation de spin (induite par la polarisation en spin du courant) et des phénomènes de relaxation de spin (qui agissent contre la première catégorie) déterminent une précession du spin lors de son passage dans le nanotube. / Recent developments in the field of nanotechnology allowed the access to adequate length scale necesary to closely investigate spins and opened large prospects of using electrons spin degree of freedom in new generation electronic devices. This have lead to the development of a vibrant field dubbed spintronics.Here, we present experiments that combine two very promising materials: namely cardon nanotubes and palladium-nickel (PdNi), with the purpose to manipulate the electronic spin both in the classical and in the quantum regime. We implement a quantum dot connected to two non-collinear ferromagnetic leads that acts as a spin-valve device. The versatility of carbon nanotubes to fabricate quantum dots when connected to PdNi electrodes via tunneling barriers is combined with the particular transversal anisotropy of the PdNi when shaped in nanometric stripes.For devices exploiting actively the electronic spin, however control over classical or quantum spin rotations has still to be achieved. A detailed understanding of the magnetic characteristics of PdxNi 100-x alloy is crucial both for understanding the switching characteristics of such the spin-valve device and for optimizing its electronic properties. We present a magnetic study of Pd20Ni80 and Pd90Ni10 nanostripes by means of extraordinary Hall effect measurements, at low temperature, for various dimensions, thicknesses and capping films. In the case of Pd20Ni80, this experiment is a first at low temperature.The CNT-based device proposed here was tested both in linear and nonlinear transportregimes. While the linear spin dependent transport displays the usual signatures of electronicconfinement, the finite bias magnetoresistance displays an impressive magnetoresistance antisymmetric reversal in contrast with the linear regime. This effect can only be understood if electronic interactions are considered. It is accompanied by a linear dispersion of the zeromagnetoresistance point in the bias-field plane. Simulations based on a proposed model confirm a current induced spin precession, electrically tunable due to the quantum nature ofthe device.

L'utilisation intensive des combustibles fossiles et l’émission des produits de leur combustion (principalement du CO2) dans l'air ont déjà impacté le climat mondial. Trouver des solutions technologiques permettant la conversion de l'économie mondiale aux carburants propres et renouvelables devient urgent. Une de possibilités consiste en utilisation de l’hydrogène comme un vecteur d’énergie. Aujourd’hui elle est limitée par l’absence d’un matériau permettant son stockage à des températures ambiantes et à des pressions modérées.Dans ce projet, nous explorons la possibilité de préparer un nouveau matériau pour un stockage réversible de l’hydrogène par physisorption : les carbones nanoporeux substitués au bore. Nous montrons que la synthèse en arc électrique peut être optimisée pour produire des structures graphitisées, avec la variété de tailles, de formes et d'interconnexions entre les fragments de graphène. Leur morphologie, structure, composition chimique et homogénéité de la distribution de l’hétéroatome dans la structure carbonée ont été caractérisés par les techniques SEM, HRTEM, EELS, XRD et spectroscopie RMN. La porosité et propriétés adsorptives ont été étudiées en utilisant les mesures d’adsorption de l’azote à T= 77 K.Les deux paramètres essentiels pour un stockage efficace de l’hydrogène dans les conditions ambiantes sont la surface spécifique de l’adsorbant et l’énergie avec laquelle les molécules du gaz sont adsorbées sur cette surface. Nous montrons que la surface spécifique d’adsorption peut être contrôlée et augmentée par une activation thermique ou chimique pour optimiser le stockage, et que la présence du bore dans les structures carbonées permet de doubler l’énergie d'adsorption d'hydrogène du matériau. / The intensive use of fossil fuels and the emission of combustion products (mostly CO2) to air have already impacted global climate. We urgently need to find a technological solution to convert the global energy economy towards cleaner and renewable fuels. A possible solution consists in using hydrogen as energy vector. Today this technology is limited by the absence of material that could efficiently store hydrogen at ambient temperature and moderate pressures.In this project we explore the possibility to prepare a new material for reversible hydrogen storage by physisorption: boron-substituted nanoporous carbons. We show that electric arc discharge synthesis may be optimized to produce graphitized structures with a variety of graphene fragment sizes, forms, and interconnections between them. The morphology, structure, chemical composition, and homogeneity of boron distribution over the carbon samples were characterized using SEM, HRTEM, EELS, and XRD techniques, and HR solid state NMR. The porosity and adsorption parameters were determined from isotherms of nitrogen adsorption at T = 77 K.Two parameters that are essential for efficient hydrogen storage at ambient conditions are sorbent specific surface and the energy of gas adsorption at this surface. We show that material specific surface can be controlled and increased by thermal and/or chemical activation to enhance storage capacity, and that hydrogen adsorption energy in boron containing samples is twice as high as in all- carbon material.

Los compuestos orgánicos volátiles (COV) constituyen uno de los grupos de contaminantes atmosféricos más importantes, incluso a concentraciones bajas, por sus efectos nocivos. En el medio ambiente estos compuestos intervienen en la destrucción de la capa de ozono, son precursores de oxidantes fotoquímicos y son agentes responsables de la lluvia ácida y del cambio climático. Además, Las COV provocan enfermedades como el cáncer y mutaciones a nivel genético. Generalmente, los COV se producen en fase gas y, además, se encuentran a muy bajas concentraciones, por lo que el control de tales emisiones resulta costoso a la hora de aplicar técnicas que involucren altas eficiencias. Es por esto que existen muchas investigaciones que buscan optimizar los diferentes métodos existentes para el control de las emisiones, de entre las que destacan la industria química, petrolera y de plásticos, entre otras, sin olvidar las emisiones procedentes del uso de la gasolina en vehículos y estaciones de gasolina, así como las medidas de control, basadas en métodos de separación (coordinación, adsorción y uso de membranas), o en métodos destructivos (oxidación térmica, catalítica, fotocatalítica o biológica). Por lo tanto, las diferencias técnicas para la reducción de los COV podrían contribuir, en combinación con otros esfuerzos, a combatir el cambio climático y a estabilizar la concentración atmosférica de los gases de efecto invernadero. LA adsorción es uno de los métodos más efectivos y con mayor aplicabilidad en la retención de COV a bajas concentraciones. La adsorción se lleva a cabo en sólidos porosos, entre los que se destacan las zeolítas, los slúmins, el gel de sílice, y sobre todo, el carbón activado en sus diferentes morfologías. El carbón activado, debido a su alta hidrofobicidad y alta superficie específica, es uno de los sólidos, se están desarrollando nuevos materiales carbonosos con propiedades mejoradas, como los carbones activados esféricos. Los carbones activados esféricos, presentan varias ventajas frente a los carbones activados graduados y en forma de polvo, debido a que presentan alta resistencia al desgaste, alta resistencia mecánica, alta capacidad de adsorción, alta pureza, bajo contenido en cenizas, superficie lisa, buena fluidez, buen empaquetamiento, baja caída de presión, alta área superficial y alto volumen de microporos. Por ello, entre los objetivos de esta investigación destaca el desarrollo de nuevos materiales carbonosos esféricos que tengan elevada área superficialidad y una química superficial apropiada que permita una elevada afinidad hacia los diferentes COV estudiados. Esos materiales, junto con carbones comerciales, se emplearán en el tratamiento de emisiones de vapores de gasolina. Desde este punto de vista, en este trabajo de Tesis Doctoral se muestra la preparación de carbones activados a partir decarbones comerciales en forma de esferas obtenidos de brea de utilizando vapor de agua y C₂. También se prepararán carbones esféricos a partir de residuos carbohidratos mediante activación física utilizando C₂y activación química con NaOH, KOH y H₃PO₄. Por otra parte, también se obtendrán carbones activados a partir de residuos lignocelulósicos fibrosos mediante activación química utilizando como agentes activantes hidróxidos alcalinos NaPO₄. Para ello se empleará una metodología utilizada recientemente para la síntesis de carbones activados esféricos. El estudio de diversas variables en los procesos de activación, entre las cuales destaca el tipo de precursor, agente activante y concentración del agente activante, además de las condiciones experimentales, como la temperatura, el tiempo y la atmosfera, nos permitirá realizar un análisis amplio y riguroso para determinar las condiciones óptimas para desarrollar materiales aplicables a la retención de tolueno, etanol y vapores de gasolina.

Des nanoparticules d'or dispersées dans un carbone mésoporeux CMK-n (n = 1,3 et 8) ont été obtenues par une méthode originale qui consiste à répliquer des silices mésoporeuses dans lesquelles les particules d'or ont été préalablement formées. La taille des particules d'or est plus petite lorsque la surface de la silice est fonctionnalisée par un thiol (MPTMS) (dAu ~ 2 nm) que par un ammonium (TPTAC) (dAu ~ 6 nm). La taille des particules d'or dans les répliques peut être contrôlée à la fois par la température de calcination du moule et par la température de pyrolyse de la source de carbone. Bien que les répliques carbonées soient beaucoup mieux dispersées dans le milieu réactionnel apolaire que les moules siliciques correspondants, elles sont moins actives dans les oxydations aérobies du cyclohexène et du trans-stilbène en phase liquide. Les meilleures performances dans l'oxydation de ces deux molécules ont été obtenues sur les répliques pyrolysées à 750°C et contenant des particules d'or de taille moyenne d'environ 2 nm. Les très petites particules sont moins actives, probablement parce qu'elles sont complètement enrobées par du carbone, donc inaccessibles. Les performances catalytiques de nos répliques ont été comparées avec celles d'un catalyseur Au/CMK-3 préparé par dépôt colloïdal sur un carbone mésoporeux pré-formé. Les résultats montrent que nos catalyseurs sont beaucoup moins actifs que celui préparé par dépôt colloïdal, car la majorité des particules dans nos répliques sont recouvertes par du carbone. L'inaccessibilité des particules aux gaz a été confirmée par une mesure de chimisorption d'hydrogène sur un catalyseur Pt/CMK-3 préparé par une méthode identique.

Dans ce manuscrit nous décrivons des études originales sur les propriétés photophysiques des nanotubes de carbone monoparois réalisées à l'échelle de la molécule unique. Nous nous sommes concentrés sur deux problématiques : l'effet du remplissage des nanotubes par de l'eau sur leurs propriétés de photoluminescence (PL) et la création de complexes multi-excitoniques en régime de forte excitation laser. Dans ce but nous avons utilisé une combinaison de microscopie, de spectroscopie et de mesures de déclin de PL. Nos résultats montrent pour des nanotubes de différents diamètres un décalage vers le rouge des énergies d'émission pour les nanotubes remplis d'eau. De plus, des déclins de PL biexponentiels sont obtenus pour des nanotubes individuels (6,4) vides et remplis d'eau. Les temps de déclin caractéristiques de ces deux espèces de nanotubes sont distincts, avec une réduction de la composante courte pour les nanotubes remplis. Ces résultats sont expliqués par une augmentation de la constante diélectrique dans les nanotubes remplis d'eau. Notre résultat le plus conséquent a été l'observation de la génération de trions dans des nanotubes non dopés en utilisant des moyen tout optiques. L'émission du trion apparaît dans les spectres de PL comme une bande latérale décalée vers le rouge. Basé sur nos observations expérimentales, nous proposons le modèle de génération du trion suivant lequel dans un régime multiexcitonique les interactions d'annihilation exciton-exciton créent des porteurs de charge qui sont piégés dans les fluctuations de potentiel électrostatique induites par les inhomogénéités de l'environnement. L'absorption subséquente d'un photon amène à la formation d'un trion localisé sur les charges piégées.

Dans ce travail, nous avons modifié deux carbones activés (grain AC et tissu T0) par divers traitements chimique (H2O2, NaOCl et un traitement thermique sous azote) et par des traitements ultrasonores à 20 et 500 kHz en présence de différents solvants (eau ultrapure, peroxyde d'hydrogène et acide formique). Ces carbones (bruts et modifiés) ont été caractérisés du point de vue de leur chimie de surface et de leur texture. Nous avons étudié l'adsorption d'ibuprofène (IBP) aux différents pH et températures. Le processus d'adsorption de l'IBP sur (AC ou T0) est avéré endothermique à pH 3. L'oxydation par NaOCl crée des groupes phénoliques qui défavorisent l'adsorption d'IBP tandis que l'oxydation par H2O2 augmente la teneur en groupe carbonyles et carboxyles responsable d'une contribution à l'adsorption de l'IBP. Le traitement ultrasonore de AC a augmenté son adsorption d'IBP par rapport au charbon brut. La cinétique d'adsorption de deux liquides ioniques synthétisés (LI1 : bromure de 4-tertiobutyl-1-propylpyridinium et LI2 : bromure de 4-tertiobutyl-1(2-carboxy-ethyl)pyridinium ) sur T0 est beaucoup plus rapide que la cinétique d'adsorption de l'IBP à pH 7,5. La compétition d'adsorption sur T0 entre les trois molécules (IBP et les deux liquides ioniques) a montré que l'IBP s'adsorbe en plus grande quantité sur le T0 que le LI1 et le LI2. / In this work, two activated carbons (granular AC and fabric T0) were modified either by chemical treatment (H2O2, NaOCl and thermal treatment under N2) or by ultrasonic irradiation at 20 kHz or 500 kHz in different solvents (UHQ water, H2O2 and HCOOH). The raw and modified materials were characterized by different methods. We studied the ibuprofen (IBP) adsorption at different pH and temperatures. The adsorption of IBP by (AC or T0) was an endothermic process at pH 3. Oxidation with NaOCl creates phenol groups that led to a decrease of the adsorption uptake while oxidation by H2O2 increases the carbonyl group content and carboxyl that induce an increase in the adsorption of IBP. The ultrasonic treatment of AC increases the adsorption capacity of ibuprofen in comparison with the raw AC. The adsorption of the two ionic liquids (LI1 : the 4(tert-butyl)-1propylpyridinium bromide and LI2 : 4(tert-butyl)-1(2-carboxy-ethyl)pyridinium bromide ) onto T0 was found much faster than the adsorption kinetic of IBP at pH 7.5. The competitive adsorption of mixture of IBP and the two ionic liquids showed that IBP is the most adsorbed by T0.

L’objet de cette thèse consiste en des développements de méthodes en spectroscopie et imagerie Raman. Après une revue des outils statistiques permettant de traiter de gros volumes de données (analyse multivariée, classification), l’étude est appliquée à deux familles de matériaux déjà bien connus, utilisés comme modèles pour tester les limites des développements mis en oeuvre. La première famille est une série de matériaux carbonés, traités à différentes températures, avec des inhomogénéités à l’échelle du nm, dont la taille est déduite d’une approche conjointe Raman-diffraction des rayons X. Un autre résultat concerne l’effet du polissage, qui induit des artefacts Raman conduisant à surestimer le désordre structural local, et une méthode basée sur la largeur de la bande G est proposée. L’autre classe de matériaux présente cette fois des inhomogénéités à des échelles supérieures au micromètre, il s’agit de céramiques d’oxyde d’uranium appauvri. L’imagerie Raman, particulièrement bien adaptée en termes d’échelle spatiale, est utilisée pour sonder les surfaces obtenues, Le traitement des données est effectué par un approche mêlant analyse multivariée (analyse en composantes principales), et ajustement classique par Lorentziennes. L’interprétation des données obtenues est soutenue par une analyse par electron backscattering diffraction (EBSD), permettant de séparer l’effet d’orientation des grains de céramiques, d’autres effets sous-jacents. Ceux-ci, principalement localisés aux joints de grains, avec l’existence d’un mode Raman caractéristique, paraissent liés à des variations de stoechiométrie en oxygène ou d’impuretés, ou à des inhomogénéités de contrainte. Les perspectives de ce travail portent notamment sur la mise en oeuvre d’autres méthodes mathématiques, et pour l’aspect matériaux, sur l’analyse fine d’endommagements par irradiation des UO2, (effets d’anisotropie, rôle des joints de grains. / This thesis is aimed at developing methodologies in Raman spectroscopy and imaging. After reviewing the statistical instruments which allow treating giant amount of data (multivariate analysis and classification), the study is applied to two families of well-known materials which are used as models for testing the limits of the implemented developments. The first family is a series of carbon materials pyrolyzed at various temperatures and exhibiting inhomogeneities at a nm scale which is suitable for Raman--X-ray diffraction combination. Another results concern the polishing effect on carbon structure. Since it is found to induce Raman artifacts leading to the overestimation of the local structural disorder, a method based on the use of the G band width is therefore proposed in order to evaluate the crystallite size in both unpolished and polished nanographites. The second class of materials presents inhomogeneities at higher (micrometric) scales by the example of uranium dioxide ceramics. Being well adapted in terms of spatial scale, Raman imaging is thus used for probing their surfaces. Data processing is implemented via an approach combining the multivariate (principal component) analysis and the classical fitting procedure with Lorentzian profiles. The interpretation of results is supported via electron backscattering diffraction (EBSD) analysis which enables us to distinguish the orientation effects of ceramic grains from other underlying contributions. The last ones are mainly localized at the grain boundaries, that is testified by the appearance of a specific Raman mode. Their origin seems to be caused by stoichiometric oxygen variations or impurities, as well as strain inhomogeneities. The perspectives of this work include both the implementation of other mathematical methods and in-depth analysis of UO2 structure damaged by irradiation (anisotropic effects, role of grain boundaries).