Le Nafion dans la couche catalytique des PEMFCs peut former un revêtement de film ultra-mince enrobant la surface du catalyseur et ses supports. La morphologie du Nafion se révèle être très sensibles à la nature du matériau sur lequel le film est déposé, et en particulier le caractère hydrophobe/phile de ces matériaux. Notre travail consiste à effectuer une enquête complète sur les effets hydrophiles du substrat sur les propriétés physiques du film ultra-mince de Nafion à des niveaux différents d'hydratation. Par conséquent, nous étudions selon un cadre unique une variété d'environnements spécifiques de la couche du catalyseur de la PEMFC, pouvant aller d'un substrat hydrophobe (carbone) à hydrophile (platine). La méthode numérique choisie pour ce travail est une simulation par Dynamique Moléculaire classique. Les configurations de films ultra-minces correctement thermalisés ont été décrites en détail en fonction de leurs propriétés structurales et dynamiques. / Nafion inside Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) catalyst layers can be found as an ultra-thin film coating the catalyst and the catalyst support surfaces. Nafion morphology shows to be strongly sensitive to the type of material where the film is deposited, especially the hydrophobic/philic character of these materials. Our work consists in performing a complete investigation of the substrate hydrophilicity effects on the physical properties of Nafion ultra-thin film at different hydration levels. We investigate in a unique framework a variety of environments peculiar of the PEMFC catalyst layer, ranging from hydrophobic (carbon) to hydrophilic (platinum) substrates. The numerical method chosen for this work is classical Molecular Dynamics simulations. The well-thermalized thin-film configurations were described in details in terms of their structural and dynamical properties.

Ce travail porte sur le développement de protocoles de croissance par CVD à injection directe de liquide (DLI-CVD) de films catalytiques poreux potentiellement utilisables dans les piles à combustible de type PEMFC. Les objectifs étaient de contrôler et de réduire au maximum la charge en platine, d’obtenir des matériaux à grande surface spécifique, c'est-à-dire très poreux, mais aussi d’utiliser des précurseurs à bas coût.Dans un premier temps, le platine a été promu par de l’oxyde de cérium, matériau qui possède lui-même des propriétés catalytiques. L’optimisation des paramètres de croissance a montré le rôle majeur de la température de dépôt mais aussi du flux des précurseurs sur la morphologie finale des films. Un dopage contrôlé en platine de la surface de l’oxyde de cérium a ainsi pu être mis au point à partir du dépôt simultané de cérine et de platine. Le flux de précurseur du platine a alors permis d’ajuster la charge et l’état d’oxydation de cet élément au sein des films sans pour autant modifier leur porosité. Il est, par exemple, possible d’élaborer des films minces d’oxyde de cérium composés de particules nanométriques dopées en extrême surface avec 5 % de platine à l’état +II. L’effet du flux de précurseur sur l’état d’oxydation du platine a été confirmé pour le système Pt/TiO2. Dans un second temps, des oxycarbures de tungstène ont été synthétisés de façon à éliminer totalement le platine du catalyseur. Un procédé en deux étapes a été mis au point permettant d’obtenir des dépôts d’oxycarbure de tungstène possédant de grandes surfaces spécifiques en déposant un film utra-mince et conforme d’oxycarbure sur une couche poreuse d’oxyde de tungstène. / This work is focused on development of growth protocols by direct liquid injection chemical vapor deposition (DLI-CVD) of catalytic porous films which could be used in proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). The aim of this work was to reduce or even proscribe platinum in catalysts having large specific surface area i.e. being very porous. Besides, the aim is also to use mainly low cost precursors.Cerium oxide, which is a material widely used as catalyst, has been chosen to partially substitute platinum. Porous CeO2 layers were obtained by the optimization of processing parameters such as deposition temperature or precursors flow rates. Controlled platinum doping of cerium oxide surface has been obtained from deposition of ceria and platinum at the same time. The platinum precursor flow rate has allowed adjusting the load and the oxidation state of Pt in films without changing their porosity. For example, it was possible to synthesize thin cerium oxide films composed of surface Pt doped nanoparticles. In such a case, the Pt content is 5% in top most layers and its oxidation state is +II. The effect of precursor flow rate on the platinum oxidation state was confirmed from the study of the Pt / TiO2 system. Finally, platinum has been fully replaced by tungsten oxycarbide. A two steps process has been developed to obtain porous oxycarbide layers by depositing a conformed tungsten oxycarbide ultra-thin film on a porous tungsten oxide layer.

Ces travaux de thèse ont porté sur l'étude approfondie de catalyseurs à base d'argent et d'or dans la réduction catalytique sélective des NOx par C3H6. Pour le système Ag/Al2O3, nous avons réussi à fournir une explication rationnelle de l'origine de l'existence d'un optimum d'activité pour une teneur en Ag de l'ordre de 2 %pds reporté à plusieurs reprises. La caractérisation par NOx-TPD des catalyseurs Ag/Al2O3 a permis d'attribuer l'origine de cet optimum à la teneur maximale en Ag pour laquelle la dispersion quasi-atomique de l'argent est préservée. Nous avons aussi démontré pour la première fois que l'activité des catalyseurs Ag/Al2O3 dans la réduction des NOx par C3H6 en présence de H2 augmentait lorsque la densité surfacique en Ag diminuait. Ceci a été expliqué par l'augmentation du nombre de sites du support pouvant adsorber les NOx lorsque la teneur en Ag diminue. Le système catalytique Au/Al2O3 a été également étudié. En diminuant le nombre de sites d'or dans le réacteur, un effet promoteur de H2 a été mis en évidence pour la première fois pour ce système dans la réduction des NOx par C3H6. Cet effet promoteur était plus important lorsque la teneur en Au diminue. L'activité catalytique du système Au/Al2O3 a été optimisée par la cérine, le catalyseur présentant 1%pds en CeO2 et 0,5%pds en Au a montré la meilleure conversion des NOx. L'activité catalytique d'un système Au-Ag/Al2O3 a également été examinée mais trouvée moins intéressante que celles des systèmes monométalliques. La conversion des NOx en N2 en présence de H2 sur un catalyseur Ag/Al2O3 a pu être améliorée de prés de 30 % en déposant l'argent sur un support prétraité hydrothermalement. / This work provides further insights into C3H6-SCR on alumina supported silver and gold catalysts. The origin of the optimum loading of 2 wt% of Ag on Al2O3 in the C3H6-SCR of NOx was elucidated with the help of an original characterization method (NOx-TPD). The optimum loading was attributed to the maximum loading of silver on Al2O3 for which highly dispersed Ag species are preserved. Our study highlights for the first time that the H2-C3H6-SCR catalytic performance of Ag/Al2O3 samples improved in the 150-550 °C temperature domain as the Ag loading decreased well below 2 wt%. A detailed kinetic study of H2-C3H6-SCR was performed and led us to conclude that the unexpected higher catalytic performance of the Ag samples with the lower Ag surface densities was attributed to the higher concentration of active sites on the Al2O3 supporting oxide able to chemisorb NOx species. Regarding Au/Al2O3 catalysts, our work provides the first experimental evidence of an H2 effect in C3H6-SCR over Au/Al2O3 catalysts. This effect could only be observed when the number of Au catalytic sites in the reactor was decreased. The influence of the Au loading on the H2-C3H6-SCR was investigated. Au/CeO2-Al2O3 system was optimized with addition of ceria. Among the Au/CeO2-Al2O3 catalysts evaluated, the sample containing 0.5 wt% Au and 1 wt% CeO2 exhibited the best NOx conversion in C3H6-SCR at low temperature (from 150 °C). The catalytic activity of bimetallic Au-Ag /Al2O3 catalysts was investigated in C3H6-SCR and H2-C3H6-SCR. Finally, NOx conversion to N2 on Ag/Al2O3 in H2-C3H6-SCR could be improved substantially by nearly 30 % when silver is added on hydrothermally pretreated Al2O3 support.

L’objectif était de développer et d’utiliser des nanoparticules hybrides de type«coeur-écorce» composées d’un coeur de silice dense entouré par des chaînes polymères fonctionnalisées par des ligands d’ATRP comme support catalytique pour la polymérisation du MMA par ATRP. Deux stratégies de synthèse de nanoparticules hybrides ont été élaborées. La première a consisté à immobiliser sur un support de silice, d’une manière covalente, des chaînes fonctionnelles synthétisées par NMP comportant des ligands capables de complexer le bromure de cuivre. Des nanoparticules de SiO2@polymère fonctionnel ayant de faibles densités de greffage en polymère ont été ciblées afin d’éviter leur recouvrement sur la surface. Cependant, les polymérisations n’étaient pas contrôlées probablement à cause d’un manque d’accessibilité de l’amorceur et des radicaux propageants aux complexes decuivre. Afin de rendre les catalyseurs supportés plus accessibles en solution, nous avons élaboré une seconde stratégie basée sur un système catalytique hybride réversible. Il consiste à immobiliser des chaînes α-fonctionnalisées par un motif donneur-accepteur de proton(DAD) via des liaisons hydrogène sur des particules de silice modifiées par un motif complémentaire (ADA). Des PMMA de masses molaires contrôlées ont été synthétisés avec des dispersités plus faibles que celles obtenues en ATRP homogène (en présence des chaînes libres). Après séparation du catalyseur du milieu réactionnel par centrifugation, nous avons montré qu’avec un excès du motif ADA, 96% du cuivre initialement introduit ont été récupérés. / The aim of this project is to develop hybrid nanoparticles bearing well definedpolymer arms as supported catalyst for the atom transfer radical polymerization of methylmethacrylate. This new generation of “semi heterogeneous" catalysts was prepared by twostrategies. The first consisted of immobilizing the polymer arms bearing the ligands enablingcoordination of copper bromide onto silica particles by covalent bonds. Hybrid nanoparticleswith low polymer grafting density were targeted to prevent the overlapping of chains on thesurface. Unfortunately, the polymerizations were not controlled probably due to a lack ofaccessibility of the initiator and propagating radicals to the copper complexes. To improve theaccessibility, a reversibly supported catalyst was developed via self-assembly using hydrogenbonding between chains α-functionalized by a proton donor-acceptor unit (DAD) and acomplementary unit (ADA) anchored on silica particles. These new hybrid materials wereefficient in the controlled radical polymerization of MMA, yielding polymers with controlledmolecular weights and dispersities narrower than those obtained for homogeneous ATRP.Moreover, after catalyst separation from the reaction medium by centrifugation, more than96% of the originally used copper was recovered.

De nos jours, en raison de l'épuisement des combustibles fossiles et des préoccupations environnementales, la transformation de la biomasse lignocellulosique devient un gros challenge pour fournir des biocarburants et des bioproduits dans un futur proche. La lignine, qui représente près de 30 %pds de la biomasse lignocellulosique, est la bioressource la plus pertinente et la plus abondante pour produire des composés aromatiques grâce à sa structure polymérique composée d’unités phénylpropane avec des liaisons éthers. Dans ce contexte, l’utilisation de la lignine en tant que précurseur de composés aromatiques suscite beaucoup d’attention de par son faible coût et sa haute disponibilité puisque co-produit dans l’industrie papetière ou les bio-raffineries. Dans la littérature, il apparaît que l'hydroconversion catalytique de la lignine constitue une méthode thermochimique intéressante pour obtenir des rendements élevés en produits liquides. Le but de ce travail était d'étudier les processus réactionnels lors de ce procédé et de développer un modèle cinétique pour l'hydroconversion catalytique de la lignine sur un catalyseur sulfure (CoMoS/Al2O3). Dans la première partie de ce travail, des mesures cinétiques ont été effectuées dans un solvant donneur d’hydrogène (tétraline) à 350 °C et 80 bar en utilisant un réacteur semi-continu, ouvert en phase gazeuse avec l’alimentation continue en H2 et équipé d’un condenseur à reflux et de pièges refroidis. Les produits récupérés ont été isolés en quatre fractions : gaz (méthane, dioxyde de carbone, hydrocarbures légers, etc.), liquide organique (phénols, aromatiques, naphtènes, etc.), résidus solubles dans le THF et insolubles dans le THF. Grâce à plusieurs outils analytiques appropriés (GPC, RMN, GCXGC, etc.), l'évolution et la composition de ces différentes fractions en fonction du temps de réaction ont été étudiés afin de comprendre les transformations lors de la conversion. Un schéma réactionnel (approche regroupée) a été établi sur la base de ces observations. La deuxième partie de ce travail a été consacrée au développement d'un modèle cinétique paramétré permettant de décrire mathématiquement chaque étape de réaction au cours de l'hydroconversion de la lignine. Premièrement, les phénomènes physiques impliqués (comportement hydrodynamique des gaz dans notre installation, équilibre vapeur-liquide des mélanges et transfert de masse liquide gaz) ont été caractérisés. Par la suite, un modèle complet de réacteur a été construit en couplant la cinétique chimique appropriée et les caractérisations physiques. En prenant les données expérimentales recueillies comme base, des paramètres cinétiques fiables (constantes de vitesse et coefficients stoechiométriques) pour chaque étape de réaction ont été obtenus au moyen d'une technique de régression non linéaire. Le modèle résultant nous permet d'avoir une compréhension approfondie du processus de conversion de la lignine / Nowadays, due to the fossil fuels depletion and environmental concerns, transformation of lignocellulosic biomass is becoming a great challenge in order to provide biofuels and biochemicals in a near future. Lignin, which accounts for nearly 30 wt% of lignocellulosic biomass, is the most relevant and abundant bio-resource to produce aromatic compounds because of its original polymeric structure composed by phenylpropane units with ether linkages. In this context, the use of lignin as a precursor of aromatic compounds attracts lots of attention thanks to its low cost and high availability in pulp industry or bio-refinery. In the literature, it appears that an interesting thermochemical method for obtaining high yields of liquid products was the catalytic hydroconversion of lignin. The aim of this work was to investigate the reaction scheme of the catalytic process and develop a kinetic model for catalytic lignin hydroconversion over a sulfided CoMoS/Al2O3. In the first part of this work, kinetic measurements were carried out in a H-donor solvent (tetralin) at 350 °C and 80 bar using a semi-continuous batch reactor, which is opened for gas phase with continuous supply of H2 and equipped with a condensing reflux followed by cooled traps. The recovered products were isolated in four fractions: gases (methane, carbon dioxide, light hydrocarbons, etc.), organic liquid (phenols, aromatics, naphthenes, etc.), THF-soluble and THF-insoluble residues. Thanks to several appropriate analytical tools (GPC, NMR, GCXGC, etc.), the evolution of these different fractions as a function of reaction time was followed in order to understand the transformations occurring during the conversion. Accordingly, a lumped reaction network was established based on the observed reaction schemes. The second part of this work was dedicated to the development of a parameterized kinetic model allowing to have a mathematical description for each reaction step involved in the lignin hydroconversion. Firstly, physical phenomena involved (the gas hydrodynamic behavior of our set-up, the vapor-liquid equilibrium of mixtures and the liquid-gas mass transfer) were characterized. Subsequently, a complete reactor model was constructed by coupling the suitable chemical kinetics and these physical characterizations. Taking the gathered experimental data as a basis, reliable kinetic parameters (rate constants and stoichiometric coefficients) for each reaction step were obtained by means of non-linear regression technique. The resulting model allows us to have an in-depth understanding of the lignin conversion process

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Depuis que la sonnette d’alarme concernant les carburants fossiles a retenti, les scientifiques cherchent des alternatives pour une consommation énergétique plus intelligente. Le reformage des carburants liquides et de gaz naturel est un procédé qui permet la production des vecteurs énergétiques riches en hydrogène. L’intérêt dans la production d’hydrogène est grandissant en raison de ses diverses applications, dont les besoins de l’industrie pétrolière pour le raffinage. En effet, la détérioration de la qualité du pétrole brut combinée à des spécifications pour les carburants plus sévères, conduit cette industrie à des bilans globaux déficitaires en hydrogène. De ce fait, le coût de l’hydrogène a connu une importante augmentation, étant le deuxième plus important dans le fonctionnement des raffineries, juste après le pétrole brut. Ce projet s’inscrit dans le domaine du développement des technologies de production d’énergies efficaces. La façon la plus utilisée commercialement pour produire de l’hydrogène est le reformage à la vapeur. Pour cela, un catalyseur de nickel sous forme de spinelle nickel-alumine (NiAl[indice inférieur 2]O[indice inférieur 4]) sur support d’alumine (Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3]) et de zircone stabilisée à l’yttria (YSZ), breveté par l’Université de Sherbrooke, a été testé pour le reformage à la vapeur. Dans le cadre de ce projet, deux principaux objectifs ont été déterminés ; premièrement l’optimisation des performances du catalyseur et deuxièmement la détermination du rôle de chaque composé au niveau structural et au niveau de la réactivité durant le reformage. Différentes méthodes de synthèse ont été testées pour la préparation du catalyseur ; ceci a permis de relier la technique de préparation aux propriétés intrinsèques du catalyseur et de ce fait, valider sa formulation finale. Des tests de reformage à la vapeur effectués, en utilisant du diesel commercial à un débit volumique des réactifs de 25 000 cm[indice supérieur 3]g[indice inférieur cat][indice supérieur -1]h[indice supérieur -1] et un ratio molaire H[indice inférieur 2]O/C de 1.9, avec des catalyseurs de différentes formulations ont permis d’élucider le rôle du support. En effet, l’YSZ est un co-support actif lors des tests de reformage. L’analyse des catalyseurs usés montre des différences notables entre les catalyseurs qui se désactivent et ceux qui ne se désactivent pas. En effet, les catalyseurs qui maintiennent leur activité ne montrent aucune formation de carbone ; tandis que les catalyseurs qui se désactivent sont recouverts de carbone en filament, en plus de l’obstruction du réacteur par du carbone. Les performances de ce catalyseur sont basées sur des paramètres spécifiques: a) la stabilité de la phase spinelle et la distribution nanométrique, très homogène, de cette phase sur le support ; b) la présence de l’YSZ comme co-support et la stabilisation de la zircone avec une quantité appropriée d’yttrine pour engendrer des lacunes d’oxygène.

La polymérisation de l'éthylène en phase gaz en présence d'un système catalytique supporté en réacteurs à lit fluidisés reste le procédé le plus utilisé pour la production de polyéthylène à basse densité linéaire. De plus, dans le cas du polyéthylène à haute densité, celui-ci représente également une part non négligeable des plants de production à travers le monde. Le procédé en phase gaz offre de nombreux avantages dont un coût d'exploitations inférieures et une flexibilité supérieure en termes de production des différents types de polymères comparé aux autres procédés conventionnels. Cependant, au regard de la nature exothermique de la réaction de polymérisation, la vitesse de la production du polymère dans ces réacteurs est limitée par la vitesse à laquelle la chaleur produite par la réaction peut être évacuée. Si le réacteur ne permet pas l'évacuation de cette chaleur, l'augmentation de la vitesse de production résulterait en une croissance dramatique de la température au sein du réacteur et, par conséquent, à la fusion et l'agglomération du polymère, et finalement à l'arrêt du réacteur. Dans ce cas, dans le but d'avoir une vitesse de production plus importante, il est possible d'utiliser le réacteur susnommé en tant que mode d'opération condensé. Dans le cas de ce mode d'opération, le flux d'alimentation de la phase gaz du réacteur contient non seulement de l'éthylène, de l'azote, de l'hydrogène, et éventuellement un comonomère, mais également un agent condensant inerte (ACI) tels que le pentane ou l'hexane. Dans cette configuration, le flux d'alimentation est en partie liquéfié dans un échangeur de chaleur externe en le refroidissant sous le point de rosée du gaz. Par vaporisation de la phase liquide dans le réacteur, une quantité plus importante de chaleur peut être retirée de l'environnement du réacteur grâce à la chaleur latente associée à la vaporisation. Cela permet d'obtenir un rendement plus élevé de l'espace pour ce réacteur et par conséquent une vitesse de production supérieure

La catalyse solide acide a été pendant longtemps l'objet d'activité de recherche intense, en particulier pour l'industrie pétrochimique. Aujourd'hui, les catalyseurs solides acides sont de plus en plus étudiés dans d'autres domaines et en particulier dans celles liées à la "chimie verte" et à la valorisation des bioressources, telles que la synthèse de biodiesel et la transformation des polysaccharides. L'objectif de la thèse est d'étudier le potentiel des matériaux poreux sulfonés ayant une porosité contrôlée dans des réactions catalysées par un acide en condition eau surchauffé telle que l'hydrolyse de la cellobiose. Dans une première partie, nous décrivons la préparation et la caractérisation des organosilicates mésoporeux périodiques sulfonés de type SBA-15, SBA-1 et KIT-6 par co-condensation de 1,4-bis (triéthoxysilyl) benzène (BTEB). Les matériaux ont été acidifiés suivant des voies différentes à l'aide de 3-mercaptopropyltriméthoxysilane (MPTMS)/H2O2 ou d'acide chlorosulfonique (ClSO3H). Leur propriété acide a été étudiée par adsorption d'NH3 suivie par calorimétrie et par la réaction de déshydratation d'isopropanol (IPA) comme réaction modèle en phase gazeuse. Contrairement à notre attente, l'adsorption d'NH3 suivie par calorimétrie a mis en évidence l'hétérogénéité de la force des sites suggérant la présence de sites distincts de la sulfonation. Les solides sulfonés avec l'acide chlorosulfonique ont une activité équivalente à celle de la résine sulfonée, Amberlyst 15, mais ils sont moins stables en raison de la libération des espèces de soufre. Les catalyseurs préparés en utilisant un groupement mercapto-propyle suivie d'une oxydation sont moins acides et ils ont donné des niveaux d'activité plus basse dans la réaction de déshydratation d'IPA. Pour l'hydrolyse de la cellobiose, de bonnes performances ont été obtenues à 150°C, mais, ces matériaux se sont montrés instables dans des conditions hydrothermales avec une lixiviation totale de soufre réalisant alors la réaction en phase homogène. Un lavage dans l'eau surchauffée des matériaux contenant des groupements propyles-SO3H conduit à une diminution de leur efficacité dans l'hydrolyse de la cellobiose, mais un gain de stabilité a été obtenu, permettant le recyclage de ces matériaux. Dans une deuxième partie, des répliques carbonées sulfonées par l'acide chlorosulfonique ou l'acide sulfurique ont été synthétisé. La sulfonation par l'acide sulfurique suivi par un lavage dans l'eau bouillante puis un prétraitement thermique à 300°C sous azote, de ces matériaux aboutissent au meilleur catalyseur en termes d'activité/stabilité.

Ces travaux de thèse abordent la problématique du développement d'internes destinés à la distillation réactive. La méthodologie à suivre est appliquée dans le cas des mousses céramiques en Carbure de Silicium. Le comportement hydrodynamique a été étudié ainsi que la capacité en transfert de matière validant la possible application des mousses en tant que garnissage destiné à la distillation. L'activation catalytique du support a ensuite été développée afin de dégager la méthode la plus intéressante permettant d'approcher le garnissage de référence, le KATAPAK, en termes d'activité catalytique. Le greffage d'Amberlyst 15 est alors apparu comme la voie la plus intéressante pour la possible application des mousses greffées comme interne catalytique destiné à la distillation réactive. / This work of thesis approaches the problems of the development of packings intended for reactive distillation. Methodology to be followed is so applied in the case of ceramic foam in Silicon Carbide. The hydrodynamic behaviour was studied as well as the mass transfer efficiency demonstrating the possible application of ceramic foam as a packing for distillation. The aspect of the catalytic activation of the support was then developed in order to determine the most efficiency method in terms of catalytic activity making it possible to approach reference packing, the KATAPAK. The coating of Amberlyst 15 then appeared as the most interesting way for the possible application of coating foam as catalytic packing for reactive distillation.