Les nanofils de silicium et de germanium présentent un fort potentiel technologique, d’autant plus important que leur position et leur taille sont contrôlées. Dans le cadre de cette thèse, la croissance de ces nano-objets a été réalisée par dépôt chimique en phase vapeur sous ultravide à l’aide d’un catalyseur d’or via le mécanisme vapeur-liquide-solide.Dans un premier temps, différentes techniques, le démouillage d’un film mince, l’évaporation par faisceau d’électrons et l’épitaxie par jet moléculaire, ont été mises en œuvre pour l’obtention du catalyseur métallique pour la croissance des nanofils.Dans un deuxième temps, la cinétique de croissance des nanofils de silicium a été étudiée en fonction de la pression, de la température de croissance et du diamètre des gouttes. Le gaz précurseur qui a été utilisé est le silane. Cette étude a permis de déterminer un diamètre critique de changement de direction de croissance, au-dessus duquel les nanofils sont épitaxiés sans défauts cristallins et préférentiellement selon la direction <111>. Le diamètre critique a été estimé à 80 nm. La cinétique de croissance en fonction de la pression a pu être interprétée de façon satisfaisante par la relation de Gibbs-Thomson. Ceci a permis la détermination du coefficient de collage des molécules de silane sur la surface de l'or et la pression de vapeur saturante du silicium P∞. Le changement morphologique de la section du nanofil et la distribution de nanoclusters d’or sur les parois ont été aussi détaillé à l’aide d’analyses par microscopie électronique en transmission.L’intégration des nanofils dans un dispositif nécessite de pouvoir les connecter. Pour les localiser et les orienter, un procédé basé sur le procédé d’oxydation localisée du silicium est proposé, pour former des ouvertures Si(111), à partir d’un substrat Si(001). Les gouttes d’or sont alors localisées dans ces ouvertures et vont servir à la croissance de nanofils orientés suivant une seule des directions [111]. Enfin, la cinétique de croissance de nanofils de germanium a été étudié. La limitation de l’utilisation du germane dilué à 10% dans l’hydrogène dans notre système d’épitaxie UHV-CVD a été démontrée. Compte tenu de notre dispositif expérimental, le gaz précurseur a été changé pour du digermane dilué à 10% dans de l’hydrogène afin de favoriser une croissance verticale de nanofils de Ge. Ceci nous a permis d’élaborer des nanofils de Ge avec des vitesses de croissance pouvant atteindre 100 nm/min. Des analyses structurales montrent l’existence d’un évasement des nanofils. Ceci est engendré par la présence d’une croissance latérale qui augmente avec la température. Comme dans le cas des nanofils de Si, nous observons la présence de l’or sur les parois latérales des nanofils. Cependant la présence de l’or est limitée à la partie supérieure des nanofils. Cette diffusion des nanoclusters d’or sur les parois peut être diminuée en augmentant la pression de croissance. En outre, l’étude de la vitesse de croissance des nanofils de Ge en fonction du rayon des gouttes d’or a permis de déterminer un rayon critique de 6 nm en dessous duquel la croissance de nanofil ne peut avoir lieu. Ce résultat a été interprété à l’aide d’un modèle basé sur l’effet Gibbs-Thomson et prenant comme hypothèse que l’étape limitante dans la croissance vapeur-liquide-solide est l’adsorption et l’évaporation du germanium. / Silicon and germanium nanowires have a high technological potential, which makes them more interesting when their position and size are controlled. As part of this thesis, the growth was achieved by chemical vapor deposition using a gold catalyst through the vapor-liquid-solid mechanism.Initially, various techniques such as dewetting, electron beam evaporation and molecular beam epitaxy to obtain the metal catalyst for the growth of nanowires were performed.In a second step, the growth kinetics of silicon nanowires has been studied as a function of pressure, temperature and catalyst diameter. Silane was used as precursor gas. A critical diameter change of direction of growth and above which the nanowires grow without crystal defects and preferentially in the direction <111> was estimated at 80 nm. The growth kinetics depending on the pressure could be explained by the Gibbs-Thomson. This allowed the determination of the adsorption coefficient of silane molecules on the surface of gold and the saturated vapor pressure of silicon P∞. The morphological change of the section of the nanowire and the distribution of gold nanoclusters on their walls were also detailed analysis using transmission electron microscopy.The integration of nanowires into devices requires to connect them. A process based on the method of local oxidation of silicon is proposed to form Si(111) seeds, from Si(001) substrate. Gold droplets are then located in these seeds and are used to grow nanowires oriented along one of the directions [111].Finally, the growth kinetics of germanium nanowires was studied. Restrictions on the use of 10% germane diluted in hydrogen in our system epitaxy UHV-CVD has been demonstrated. Given our experimental setup, the precursor gas was changed to the digermane diluted to 10% in hydrogen to promote vertical growth of Ge nanowires. This enabled us to develop Ge nanowires with growth rates up to 100 nm / min. Structural analysis showed the existence of a tapering of the nanowires. This is caused by the presence of lateral growth which increases with temperature. As in the case of Si nanowires, gold nanoclusters were observed on the sidewalls of the nanowires. However, the presence of gold is limited to the top of the nanowires. This diffusion of gold nanoclusters on the walls can be reduced by increasing the growth pressure. In addition, the variation of the speed of growth of Ge nanowires according to the radius of drops of gold has identified a critical radius of 6 nm below which the nanowire growth can occur. This result was interpreted using a model based on the Gibbs-Thomson effect and assuming that the limiting step in the vapor-liquid-solid growth is adsorption and evaporation of germanium.

Ce travail porte sur la compréhension des paramètres du catalyseur (texture, effet de support) permettant d’améliorer la réaction de conversion de liquéfiats de charbon. En effet, le catalyseur actuellement employé est un catalyseur du type conversion de résidu sous vide de brut de pétrole. Or ces matrices sont différentes en termes de poids moléculaires et de teneur en hétéroélément (O et N). Pour atteindre l’objectif de cette thèse, une caractérisation poussée du liquéfiat a été menée à l’aide de diverses techniques (GCxGC, HR-13C-RMN, FT-ICR/MS,…). Cette analyse détaillée du liquéfiat a mis avant son caractère fortement aromatique. Les extractions aux solvants ont permis d’isoler les asphaltènes et préasphaltènes de ce liquéfiat. Leurs analyses montrent que ces familles de composés sont de plus faible masse moléculaire que les asphaltènes des résidus pétroliers, et que leur teneur en hétéroélément est plus importante. Les tests catalytiques de conversion de liquéfiat ont été réalisés à 420°C 15MPa d’H2 pendant 8h. Ils montrent que l’augmentation de la taille de pore (mésoporeux) ainsi que l’apport d’une bimodalité du support (méso+macroporosité) permettent d’augmenter le transfert de matière et donc d’augmenter le coefficient de diffusion ce qui a pour conséquence d’améliorer le rendement en produits plus légers. Concernant la nature du support, de part sa capacité à favoriser les réactions d’HDO le TiO2 (vs Al2O3) permet de limiter la compétition entre les composés oxygénés et les composés hydrocarbonés. En conclusion, ce travail montre que plusieurs paramètres sont susceptibles d’améliorer les performances des catalyseurs de conversion des liquéfiats de charbon / This work focuses on the comprehension of the catalyst parameters (textural properties and support effect) that increase the yield of the coal liquid upgrading. The current in use catalyst was design for the petroleum vacuum residue conversion. However, these two feeds present different characteristics such as the average molecular weight and the amount of heteroelement (especially O and N). To reach our goal, an in-depth characterization of the coal liquid was carried out using techniques such as GCxGC, HR-13C-NMR, FT-ICR/MS. This coal liquid analysis pointed out its strong aromatic character. Extractive solvent experiments isolated the asphaltenes and preasphaltenes and their analysis show that they have a smaller average molecular weight distribution than that of petroleum asphaltenes. Catalytic experiments were carried out at 420°C, 15MPa of H2 for 8h. It shows that the increasing mesoporous size and the bimodality (meso + macroporosity) enable to raise the mass transfer thus the diffusion coefficient which enhances the yield in lighter products. The capability of TiO2 (as a support vs Al2O3) to promote HDO reaction, enables to restrain the competition between oxygen containing compounds and pure hydrocarbons. To conclude, this work demonstrates that several parameters can enhance catalyst’s performance for the coal liquid upgrading

Cette thèse de doctorat aborde de nouvelles conceptions de films à base de résines d’ester de cyanate (CER) en présence de liquides ioniques (LIs) en tant qu'agents multifonctionnels : catalyseurs, agents de modification réactifs, renforts ou agents porogènes. Les liquides ioniques de structures et de concentrations variables accélèrent de manière significative la polycyclotrimérisation du dicyanate d’ester de bisphenol E, en l'absence de tout solvant organique supplémentaire ou additif. Les réseaux de polycyanurates resultants dopés avec des liquides ioniques aprotiques peuvent constituer des matériaux prometteurs pour la production de structures photosensibles. De tels systèmes nanocomposites permettent la séparation, larécupération et le recyclage aisés des LIs par simple extraction, ce qui permet finalement l'obtention de films nanoporeux thermostables. Les caractéristiques de la porosité de ces matériaux dépendent de la concentration des LIs dans les précurseurs CERs. Les LIs protoniques contenant des groupements fonctionnels >NH et -OH, indépendamment de leurmasse molaire, de la structure chimique du cation et de l'anion, sont incorporés chimiquement dans le réseau polycyanurate. Ainsi, les matériaux hybrides obtenus avec des fragments de liquides ioniques pourraient fournir d’excellents candidats pour des recherches futures sur les ionomères et les nanocomposites. / This PhD thesis addresses new designs of cyanate ester resin (CER) films in the presence of ionic liquids as multifunctional agents: catalysts, reactive modifiers, fillers or porogens. It should be emphasized that ionic liquids (ILs) of varying structures and concentrations significantly accelerate the polycyclotrimerization of dicyanate ester of bisphenol E, in the absence of any additional organic solvent or additive. The resulting polycyanurate networks doped with aprotic ionic liquids can be promising materials for producing photosensitive structures. Such nanocomposite systems allow for easier separation, recovery, and recycling of ILs by mere extraction, which eventually affords thermally stable nanoporous films. The porosity features of these materials depend on the concentration of ILs in the CER precursors.Protic ILs containing functional >NH and -OH groups, regardless of molar mass, chemical structure of cation and anion, chemically incorporate into the polycyanurate network, thus the resulting hybrid materials with fragments of ionic liquids could provide excellent candidates for future research in ionomers and nanocomposites.

Deux types de catalyseurs à base d'oxyde de molybdène ou de vanadium supporté sur silice, actuellement les plus performants en oxydation sélective du méthane en formaldéhyde, ont été étudiés et développés dans l'optique d'une application industrielle. Une évaluation économique a permis de déterminer les performances catalytiques à atteindre pour que ce procédé de conversion directe devienne économiquement attractif par rapport au procédé industriel actuel de production du formaldéhyde en trois étapes. <br />Les catalyseurs ont été préparés et testés. Plusieurs voies d'amélioration de leurs performances catalytiques ont été étudiées. Différentes techniques (TRP, RPE, spectroscopies Raman, IR, XANES ...) et une étude spectroscopique en conditions operando ont été mises en œuvre pour caractériser la structure du catalyseur et la nature des sites catalytiques. Un mécanisme réactionnel a été proposé pour le catalyseur VOx/SiO2, faisant intervenir des espèces vanadium avec une activation du méthane sur des ions O- résultant d'un transfert électronique avec le vanadium.

Les nanofils de silicium présentent un fort potentiel technologique, qui ne se révèle que lorsque la taille des objets est bien maîtrisée. L'obtention de ces structures par Dépôt Chimique en phase Vapeur est réalisée par croissance catalysée à partir de précurseurs du silicium chlorés ou hydrogénés. On détaille ici les effets du chlore sur la passivation des surfaces de silicium et des flancs des nanofils. Cette passivation ralentit la diffusion du catalyseur (Au) sur la surface mais ne change pas la cinétique de la croissance (axiale) du fil. On obtient ainsi une croissance reproductible et stable de nanofils notamment pour les diamètres supérieurs à 20 nm. L'effet du chlore est également visible sur les flancs des nanofils, où les facettes évoluent plus ou moins vite selon la vitesse de croissance radiale. La passivation de la surface des nanofils permet donc la stabilisation de leur croissance et le contrôle de leur morphologie.

L'oxydation sélective des alcools en aldéhydes, acides ou cétones est une transformation très importante en chimie. L'emploi d'oxygène moléculaire comme oxydant permet de se placer dans une perspective de chimie verte, avec la production d'eau comme seul sous-produit principal. L'oxydation d'alcools primaires (1-octanol et géraniol) et d'alcools secondaires (2-octanol, 1-phénylethanol et alcools hétéroaromatiques dérivés de la pyridine) a été étudié en présence de catalyseurs au platine supportés sur charbon sous pression d'air, en solvant organique ou mélange à de l'eau. Les résultats ont montré une forte influence du solvant sur l'activité catalytique, avec un effet promoteur très important de l'eau sur la réaction. Cet effet a été discuté sur la base de différentes hypothèses. La promotion des catalyseurs au platine par le bismuth a permis d'observer des modifications de l'activité avec un effet positif en particulier dans l'oxydation des alcools hétéroaromatiques secondaires. La désactivation observée lors de l'oxydation de certains substrats a été analysée et des solutions ont été proposées pour la surmonter.

Les voies colloïdales de préparation de catalyseurs hétérogènes offrent des perspectives prometteuses dans le domaine du raffinage et de la pétrochimie.<br />Leur caractérisation dynamique reste pourtant insuffisante pour pouvoir décrire complètement les phénomènes physico-chimiques contrôlant l'état final du catalyseur.<br /><br />La relaxométrie RMN des systèmes hétérogènes possède une résolution temporelle suffisante pour le suivi de ce type de synthèse. Elle permet<br />d'accéder à l'avancement de la<br />réaction et de caractériser la formation des agrégats, leur synérèse et leur structure fractale.<br /><br />Avant l'application de cette technique au suivi de synthèses de nanoparticules d'oxyde de palladium,<br />des aspects fondamentaux nécessaires à son développement ont été abordés, comme l'étude de<br />la couche de solvatation liée en surface.<br />Ceci permet d'élargir le champ d'application de cette technique à tout système colloïdal d'oxyde :<br />allant des poudres aux sols en passant par les agrégats.

Dans ces travaux de recherche nous avons cherché à développer et optimiser un procédé d'oxydation avancée dédié au traitement de l'eau. Pour cela, nous avons développé un procédé combinant la génération de radicaux hydroxyles par décharge plasma à pression atmosphérique et un catalyseur fixe. L'originalité de ce travail a été d'utiliser un système d'écoulement permettant l'obtention d'un film liquide (épaisseur<1mm) afin de permettre une interaction entre le plasma, le liquide et la surface catalytique. Les résultats ont montré que l'utilisation d'une décharge de type DBD était préférable au Glidarc, thermique, énergétique et produisant trop de NOx. Les valeurs d'efficacité respectives étaient de 0,67g.kWh-1 pour la DBD et 0,23g.kWh-1 pour le Glidarc. Les résultats ont également montré que le matériau de la contre-électrode/plaque d'écoulement pouvait influencer l'efficacité du procédé. Ainsi dans le cas du laiton, la présence de réactions de corrosion produisant des NO2- réduit l'efficacité de moitié comparée à une plaque d'acier. Le développement d'un modèle CFD 1D à partir des données expérimentales du procédé a été effectué. Ce modèle a permis d'estimer que l'efficacité énergétique de production des HO est de 4,4.10-9 molHO.J-1 pour la décharge DBD. Il a également permis de montrer que le facteur majoritairement limitant était la diffusion moléculaire des espèces dans le liquide. En effet les réactions chimiques ne dure pas plus de 1µs après l'impact du streamer et n'ont lieu que dans les premiers 5% d'épaisseur de liquide. Enfin, un dépôt catalytique de DLC dopé à l'argent et réalisé par rf-PECVD a permis d'améliorer de près de 10% l'efficacité maximale du procédé.

La diminution du coût des catalyseurs est l'une des conditions nécessaires pour rendre la technologie PEMFC économiquement viable au grand public. Ces catalyseurs, habituellement composés de nanoparticules de platine, sont limités par leur coût, leur performance et leur durabilité. La nanostructuration est une des solutions envisageables pour ces catalyseurs car elle permet d'augmenter considérablement la surface spécifique, de diminuer le chargement en platine et d'augmenter les performances pour la réaction de réduction de l'oxygène, la plus limitante dans la technologie PEMFC.Les travaux présentés dans ce mémoire, ont été réalisés autour de deux types de particules nanostructurées (particules coeur-coquille et particules creuses) à base de platine ou d'alliage de platine. Ces particules ont été étudiées, caractérisées en électrochimie à 3 électrodes (électrode tournante disque-anneau et montage demi-pile) puis intégrées dans des systèmes pile à combustible. Nous avons observé les améliorations de performances offertes par ce type de particules électro-catalytiques vis-à-vis de la réaction de réduction de l'oxygène. Puis nous avons commencé à étudier et à optimiser leur intégration dans les piles à combustible en conditions réelles de fonctionnement. / The decrease in cost of catalysts is one of the conditions necessary to make economically viable PEMFC technology to the general public. These catalysts, usually composed of platinum nanoparticles, are limited by cost, performance and durability. Nanostructuring is one of the possible solutions for these catalysts because it greatly increases the surface area, reducing the platinum loading and increase performance for the reaction of oxygen reduction, the most limiting in PEMFC technology.The works presented in this thesis were performed on two types of nanostructured particles (core-shell particles, hollow particles) based on platinum or platinum alloy. These particles have been studied, characterize in electrochemistry to 3 electrodes (rotating ring-disk electrode and half-cell assembly) and then integrated in fuel cell systems. We observed performance improvements offered by this type of electro-catalytic particles towards the reduction reaction of oxygen and then we started studying and optimize their integration into fuel cells and actual conditions of operation.

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