Nous avons étudié les mécanismes de dégradation de catalyseurs Pt3Co/C en conditions réelles (stacks 16 cellules, hydrogène/air, stationnaire et intermittent, t > 1000 heures). Des modifications de la structure atomique, de la morphologie et de la composition chimique des catalyseurs ont été mises en évidence grâce à des techniques à résolution atomique, tels que la microscopie HAADF ou encore la spectroscopie d'absorption de rayons X. En plus d'être sujets à la maturation d'Ostwald 3D, ces catalyseurs perdent continuellement et irréversiblement les atomes de cobalt contenus dans le matériau " natif ", ce qui conduit à la formation de nanoparticules " creuses " de Pt. Nous avons montré l'effet d'une contamination de l'électrode par des cations métalliques (Co2+). Des hétérogénéités de vieillissement de ces électrodes, à la fois " dans le plan " et " à travers le plan ", ont été mises en évidence, en utilisant des marqueurs structuraux caractéristiques des électrodes. Des différences locales des cinétiques et des mécanismes de dégradation ont été confirmées grâce à des tests en monocellule PEMFC à cathode segmentée.

Les concepts de matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques permettent d'envisager de nouveaux dispositifs de mémoires plus performants et moins consommateurs d'énergie. Malheureusement de tels matériaux présentant ces propriétés à température ambiante ne sont pour l'instant pas disponibles. Les matériaux qui font l'objet des études présentées dans ce manuscrit, les ferrites de gallium Ga2-xFexO3, 0,7 ≤ x ≤ 1,4, sont d'excellents candidats. Le présent travail de thèse en a étudié les propriétés électriques, tant sur matériaux massifs que couches minces. Nous avons mesuré une polarisation sur composés massifs du même ordre de grandeur que celle précédemment déterminée par calculs ab initio. Une considérable réduction des courants de fuite habituellement observés en couches minces a été possible grâce à la substitution de Fe2+ par Mg2+. Une polarisation réversible et un effet magnétoélectrique ont alors pu être mis en évidence. Compte tenu du caractère ferrimagnétique à température ambiante des couches minces considérées, ceci constitue la première manifestation d'un matériau multiferroïque et magnétoélectrique à réel intérêt applicatif.

Les concepts de matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques permettent d’envisager de nouveaux dispositifs de mémoires plus performants et moins consommateurs d’énergie. Malheureusement de tels matériaux présentant ces propriétés à température ambiante ne sont pour l’instant pas disponibles. Les matériaux qui font l’objet des études présentées dans ce manuscrit, les ferrites de gallium Ga2-xFexO3, 0,7 ≤ x ≤ 1,4, sont d’excellents candidats. Le présent travail de thèse en a étudié les propriétés électriques, tant sur matériaux massifs que couches minces. Nous avons mesuré une polarisation sur composés massifs du même ordre de grandeur que celle précédemment déterminée par calculs ab initio. Une considérable réduction des courants de fuite habituellement observés en couches minces a été possible grâce à la substitution de Fe2+ par Mg2+. Une polarisation réversible et un effet magnétoélectrique ont alors pu être mis en évidence. Compte tenu du caractère ferrimagnétique à température ambiante des couches minces considérées, ceci constitue la première manifestation d’un matériau multiferroïque et magnétoélectrique à réel intérêt applicatif. / Concepts of multiferroic and magnetoelectric materials allow designing new memory devices with better performances and less energy consumption. Unfortunately, such materials with room temperature applicability are not yet available.The material concerned by this study, gallium ferrites Ga2-xFexO3, 0.7 ≤ x ≤ 1.4, are excellent candidates for such applications. This work aimed at studying the electrical properties of the bulk material, as well as in thin films. We have measured a polarization on the bulk samples comparable to the value estimated by first principle calculations. A considerable reduction of the leakage currents usually observed in oxide thin films has been achieved by the doping by substitution of Fe2+ in the structure, using Mg2+. A switchable polarization and a magnetoelectric effect at room temperature in thin films have been observed. Considering the room temperature ferrimagnetic behavior of this compound, this is the first manifestation of a multiferroic and magnetoelectric with real potential and technological applications.

Les minéraux argileux gonflants sont omniprésents dans tous les compartiments de la surface de la Terre et notamment dans les sols. La structure lamellaire de ces minéraux et leur faible taille leur confèrent une forte réactivité notamment vis à vis des polluants et nutriments qui sont présents dans les eaux porales des sols. Dans ce cadre, cette thèse vise à contribuer à une meilleure compréhension des interactions entre des minéraux argileux gonflants et des cations nutritifs (calcium, strontium) et/ou d'intérêt environnemental (césium). Dans les sols, ces minéraux possèdent de larges distributions de taille et de cristallochimie (charge des feuillets). Par conséquent, pour mieux comprendre le rôle de chacun de ces paramètres sur la réactivité de ces particules naturelles, nous avons travaillé avec des « systèmes modèles », représentatifs des particules argileuses des sols : des particules de vermiculite triées en taille et des saponites synthétiques avec des charges de feuillets contrôlées. Les résultats d'adsorption des cations étudiés (Cs, Sr) en compétition avec les cations majeurs des eaux naturelles (Na, Ca) ont été obtenus en couplant l'analyse chimique des solutions et la modélisation des réflexions 00ℓ des diffractogrammes de rayons X afin d'obtenir la distribution de cations entre les différents sites d'adsorption (interfoliaire vs externes). Une telle approche et l'utilisation des « systèmes modèles » nous ont permis d'obtenir des paramètres quantitatifs décrivant la réactivité des minéraux argileux gonflants des sols. Ces paramètres pourront être pris en compte dans les codes de transport prédisant la migration des cations dans les sols. / The swelling clay minerals are ubiquitous in all areas of the surface of the Earth, particularly in soils. The lamellar structure of these minerals and their small size are at the origin of their high reactivity in particular with respect to pollutants and nutrients that are present in soil pore water. In this context, our work aims to contribute to a better understanding of the interactions between swelling clay minerals and cations of nutritive (calcium) and/or environmental interest (cesium, strontium). In soils, swelling clay minerals have broad size distribution and can have a varied crystal chemistry. Therefore, to better understand the role of each of these parameters on the reactivity of the natural particles, we worked with "model systems", which are yet representative of the swelling clay particles encountered in soil environment. Different particle size fractions of vermiculite and different synthetic saponites characterised by well-controlled layer charge were used as "model systems". Results concerning ion-exchange isotherms for Cs and Sr, in competition with major cations of natural waters (Na, Ca), were obtained by combining chemical analyses and 00ℓ reflection modelling of X-ray diffractograms in order to assess the cation distribution between the different adsorption sites (interlayer vs external) located on swelling clay minerals. Such approach and the use of ‘model systems’ have allowed us to obtain quantitative parameters describing the reactivity of soil swelling clay mineral particles, and should be considered in reactive transport codes devoted to predict the migration of nutritive and polluted cations in soil environments.

L’émergence de nouvelles souches bactériennes résistantes a signé la fin de l’« âge d’or » des antibiotiques. L’organisation mondiale de la santé a reconnu l’imminence des problèmes associés à ces nouvelles bactéries, qui engendrent de nouveau une mortalité en augmentation. Afin de palier à ce problème, de nouvelles alternatives aux antibiotiques sont envisagées par les chercheurs à travers le monde. La thérapie photodynamique antimicrobienne est l’une de ces alternatives. Elle a su se démarquer grâce à son incapacité à induire la résistance bactérienne. Alors que les résultats furent initialement très prometteurs contre les bactéries Gram positif, une moins bonne sensibilité fut rapidement observée de la part des bactéries Gram négatif. Afin d’augmenter le potentiel antibactérien de cette technique, diverses stratégies furent élaborées comme l’utilisation de photosensibilisateurs cationiques, l’ajout d’un agent de ciblage, ou la présence d’un agent de perméabilisation membranaire. L’un de ces agents est la polymyxine B, un peptide antimicrobien qui arbore une très bonne affinité avec les bactéries Gram négatif. Dans cette étude, nous avons voulu associer chimiquement différents photosensibilisateurs avec des dérivés de polymyxines B de façon covalente, par l’intermédiaire d’un bras « spacer » ou d’une plateforme. L’association de ces deux familles de molécules a permis d’élaborer de nouveaux composés qui ont démontré une activité photobactéricide accrue contre un large spectre de bactérie. De plus, ces composés ont montré une affinité augmentée pour les bactéries, ce qui permettra de réduire les effets secondaires sur les cellules humaines. Cette étude confirme l’importance d’utiliser des peptides antimicrobiens afin d’améliorer la thérapie photodynamique. Ces travaux seront approfondis afin de permettre la création de nouveaux traitements dermatologiques basées sur cette nouvelle thérapie et efficaces contre un large spectre de souche bactérienne / Despite advances achieved over the last decade, infections caused by multi-drug resistant bacterial strains are increasingly important societal issues that need to be addressed. New approaches have already been developed in order to overcome this problem. Photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT) could provide an alternative to fight infectious bacteria. Interesting results have been obtained against Gram-positive bacteria, but it also appeared that Gram-negative strains were less sensitive to PACT. Enhanced efficacy against Gram-negative bacteria had been previously obtained following three differents strategies, which are respectively the use of cationic photosensitizers, photosensitizers bound to antimicrobial peptides, or a membrane disrupting agent. Polymyxin B is an antimicrobial peptide, known as the “last-line” treatment against Gram-negative resistant strains, which has already been used as a disrupting agent in order to improve PACT. In addition of this enhancement, this peptide is known for its strong interaction for Gram-negative bacteria. Thus, in this work, we designed differents coumpounds, consisting of a photosensitizer covalently attached to derivatives of polymyxin B, through a spacer or a chemical platform. These combinations have led to the creation of novel compounds which have shown highly photobactericidal activities against a wide spectrum of bacteria. Moreover, these compounds present enhanced affinity for bacteria, which should significantly reduce side effects on mammalian cells. This study confirmed the importance of using antimicrobial in order to target bacterial strains. Thus, such results may allow the creation of novels PACT-based dermatological treatments efficient against a wide spectrum of bacterial strains.

Contrôler la gélification des résines époxy est un enjeu majeur de la chimie des matériaux thermodurcissables. Dans cette étude, nous décrivons une méthode de contrôle du temps de gel (tgel) et de la conversion au point de gel (xgel) dans le cas de la polymérisation cationique de résines époxy commerciales. Pour ce faire, des additifs hydroxylés sont utilisés comme agents de transfert afin de contrôler xgel. Parallèlement, des additifs de type oligo-oxyéthylène permettent de contrôler tgel en complexant les amorceurs de la polymérisation (cations aniliniums). La combinaison de ces deux leviers de contrôle permet d'explorer une large gamme de valeurs de tgel et de xgel. Lorsqu'un oligo-oxyéthylène cyclique (18-crown-6) est utilisé, les cations aniliniums sont stabilisés sur de très longues périodes grâce à de fortes interactions de type " clé-serrure ". En l'absence d'agent de transfert, une élévation modérée de la température est suffisante pour observer la dissociation du complexe aniliniumo18-crown-6 suivie d'un rapide amorçage de la polymérisation. Ce complexe est isolable et peut être utilisé comme un amorceur thermodéclenchable. En présence d'agent de transfert, une élévation de la température s'accompagne d'un long retard à la polymérisation (temps d'induction) suivi d'une rapide réticulation du matériel. La composition chimique du mélange initial permet de contrôler le temps d'induction. Ainsi, la réticulation du matériel devient programmable dans le temps, à la manière d'une minuterie. Cette chimie est ensuite appliquée à la copolymérisation de résines mono- et di-époxy afin de contrôler la densité de réticulation du matériel et donc ses propriétés mécaniques. / Controlling the pot life and the gelation of epoxy resins is a crucial issue in thermosets processing. In this study, we report about the control of the gel time (tgel) and the gel conversion (xgel) for the cationic polymerization of commercial epoxy resins. To this end, hydroxyl additives are used as chain transfer agent to control xgel. Concurrently, oligo(ethylene oxide) additives are used to vary tgel as a result of the supramolecular complexation of the anilinium cations responsible for the polymerization’s initiation. We show that the combination of these two control levers enables the exploration of a wide range of tgel and xgel values. When a cyclic oligo(ethylene oxide) (18-crown-6) is used, anilinium cations are stabilized on very long period as a result of strong host-guest interactions. In absence of transfer agent, a slight increase of temperature is enough to observe the dissociation of the anilinium•18-crown-6 complex and the fast initiation of polymerization. The anilinium•18-crown-6 complex can be isolated and used as a thermoresponsive initiator presenting a high apparent activation energy. When used in combination with hydroxyl additives, a temperature increase results in a long delay of polymerization followed by the rapid completion of the material’s reticulation. By varying the composition of the initial mixture it is possible to tailor the duration of the polymerization’s delay. Thus, the resulting system is programmable and exhibits a clock like behavior. This chemistry is then extended to the copolymerization of diepoxy and monoepoxy resins to control the crosslink’s density of the material and thus, the properties of the final networks.

Dans les procédés classiques d'extraction de la cellulose pour la fabrication de la pâte à papier à partir de bois, les hémicelluloses sont dégradées et sont brûlées pour alimenter l'usine en énergie. En incluant une étape préalable d'extraction de ces polysaccharides, ils pourraient alors être réintroduits en aval du procédé, après cationisation, en tant qu'agent de renfort dans la pâte à papier. Dans ce travail, la cationisation de deux hémicelluloses modèles commerciales de type galactomannane et xylane a été effectuée par éthérification avec un époxyde cationique en solution aqueuse basique, avec des degrés de substitution de 0,1 à 1,3. Les paramètres prépondérants de la réaction sont la concentration des espèces et la quantité d'agent éthérifiant, tandis que la température et le temps de réaction influent principalement sur le rendement massique. Un plan d'expérience a permis de modéliser l'interaction entre les quantités de soude et d'époxyde et d'optimiser les conditions en fonction du DS avec une efficacité de réaction de 50%. La cationisation a également été appliquée à deux hémicelluloses extraites au FCBA. La mise en oeuvre de la réaction en absence de solvant a permis d'atteindre une efficacité de réaction de 70 à 90% et de réduire considérablement les quantités de réactif utilisées et d'effluents à traiter. Parmi la gamme de DS, les dérivés cationiques de DS 0,3 ont donné les meilleures propriétés après ajout dans la pâte à papier, le galactomannane étant plus efficace que le xylane. Enfin, la réticulation des chaînes du xylane extrait a permis d'augmenter les propriétés physiques du papier de 15% supplémentaires / With current paper pulp processes, hemicelluloses are decomposed during the extraction of cellulose fibres. By including a previous step of hemicellulose extraction, these compounds could be reused as additives in the paper pulp, instead of cationic starch. In this work, two model galactomannan and xylan hemicelluloses were cationized in aqueous solution under basic conditions by etherification with a cationic epoxide. Degrees of substitution from 0.1 to 1.3 were obtained. Species concentration and epoxide amount appeared as preponderant parameters of the reaction. With an experimental design, the interaction between sodium hydroxide and epoxide amounts was modelized, and reactional conditions were optimized depending on the desired DS with a reaction efficiency of 50%. Then, cationisation was applied to two hemicelluloses extracted in FCBA. The reaction was also carried out in absence of solvent with a reaction efficiency of 70-90%, by minimising reagents consumption and effluents. Cationic derivatives with DS 0.3 gave the best performance to increase the paper resistance when they were added in paper pulp, galactomannan being more efficient than xylan. Chain reticulation allowed increasing mechanical properties of paper of 15% for the extracted xylan

Cette thèse a pour objectif de développer une nouvelle approche bio-inspirée des processus de polymérisation conduisant à la formation de polyterpènes et ultérieurement du caoutchouc naturel, un polyisoprène de structure purement 1,4-cis de forte masse molaire dont les propriétés sont encore inégalées par ses homologues synthétiques. Pour cette raison la production mondiale de caoutchouc naturel demeure stratégique et est toujours proche de 10 millions de tonnes, soit environ 45% de la demande mondiale annuelle en élastomères. Alors que les voies de synthèse développées jusqu’à présent pour accéder à des homologues du caoutchouc naturel sont basées sur la polymérisation par voie anionique ou par coordination de l’isoprène,l’approche suivie par la nature pour synthétiser les polyterpènes est basée sur la polymérisation à caractère cationique d’un autre monomère, le pyrophosphate d’isopentényle (IPP) qui est la brique de construction universelle de la famille des terpènes. Le projet a pour objet de tenter de reproduire au plus près le procédé naturel et d’utiliser, d’une part, la voie cationique pour polymériser des modèles de l’IPP et l’isoprène en utilisant des homologues du pyrophosphate dediméthylallyle (DMAPP, amorceur employé par la nature) comme amorceurs et des acides de Lewis pour mimer les cations divalents (Zn2+, Mg2+ or Mn2+) qui assistent les enzymes au cours des étapes d’ionisation et d’activation mises en jeu au cours de la biosynthèse, afin d’accéder à des polyterpènes approchant la structure des produits naturels. Contrairement à la nature, nous avons obtenus des oligomères de structure 1,4-trans avec de plus, de nombreuses structures cyclisées. D’autre part, nous avons également cherché à améliorer les propriétés d’un polyisoprène 1,4-cis obtenu par polymérisation anionique afin d’approcher celles du caoutchouc naturel. Nous avons développé une fonctionnalisation des chaines de polyisoprène 1,4-cis permettant d’ancrer des groupements urées susceptibles d’établir un réseau physique de liaisons hydrogènes. Nous avons montré que les polyisoprènes modifiés possèdent des propriétés viscoélastiques comparables à celles du caoutchouc naturel non vulcanisé obtenu par coagulation du latex. / Although synthetic rubbers, including high cis-content polyisoprene (PIP), are used in a broad range ofapplications, they are far from achieving the performances of natural rubber (NR), a 100% 1,4-cis polyisoprenewith very high molar mass. Therefore, NR produced exclusively by hevea (whereas more than 2,500 plant species are known to produce polyterpene-based polymers) is still dominant in many engineering applications since its exceptional properties grants this polymer a strategic resource material which holds a significant marketshare (about 45%).. The only alternative plant species under cultivation, Parthenium argentatum, also calledguayule, produces a latex yielding rubber with properties close to those of hevea rubber, and marketed as “non allergenic natural rubber” but with a higher cost complex extraction processes The NR biosynthesis process isdescribed as a polymerization process involving a series of enzymatic reactions using isopentenyl pyrophosphate(IPP) as elementary building brick. Besides, synthetic PIPs with high cis-content were already produced fromisoprene monomer by Ziegler-Natta, lanthanide-based or anionic-type polymerizations. Currently, no syntheticPIPs mimics the performance of NR, maybe because 100% 1,4-cis PIP could so far not been produced synthetically. A close inspection of the NR biosynthesis process led us to postulate that this latter is consistent with a transferless, stereospecific carbocationic-type polymerization mechanism. We then propose to develop this new bio-inspired cationic-like polymerization approach with the aim to produce polyterpenes and then NR homologues of tailored molar mass and microstructure that could exhibit properties close to natural polyterpenes by using IPP homologues and isoprene as monomers, DMAPP homologues asinitiators and Lewis acids to mimick the divalent cations (Zn2+, Mg2+ or Mn2+) that assist the enzymes during the initiation end activation steps. For the cationic polymerization of isoprene, oligomers with 1,4-trans and cyclized structures were obtained. We also develop new routes to modify polyisoprenes obtained by anionic polymerization in order to establish hydrogen interaction. To this end, different urea groups were grafted and the modified polyisoprene exhibite delastomeric properties close to the one of a non-vulcanized NR obtained by latex coagulation

Les dioxines/furanes sont des polluants organiques persistants générés principalement par l’activité anthropique et spécifiquement par l’industrie lors des procédés de combustion mettant en jeux des matières organochlorées. Etant donné leur transport à large échelle dans l'environnement et leur impact sur la santé de l’homme, il est nécessaire de contrôler en temps réel, les traces de dioxines à l'émission des sources fixes. Un tel contrôle est plus particulièrement requis lors de l’incinération de déchets hétérogènes non préalablement triés. Deux types de matériaux microporeux ont été sélectionnés pour l'adsorption des dioxines au vu de leurs propriétés physico-chimiques. Il s’agit des zéolithes et les Metal-Organic Frameworks (MOF). Deux types de test d’adsorption ont été conduits, d’une part, en laboratoire en phase liquide avec la dioxine dans de l’isooctane comme solvant, et d’autre part, en phase gazeuse lors des campagnes de prélèvement sur un site d'incinération de déchets avec une matrice réelle très complexe. L'adsorption en phase liquide nous a permis de conclure sur l’efficacité des matériaux étudiés pour l’adsorption de trois congénères de dioxine de différentes tailles. Elle a ensuite été caractérisée par des techniques d'analyses spécifiques afin de remonter aux mécanismes d'adsorption. L’efficacité d’adsorption a été testée en phase gaz sur un site d'incinération de déchets ménagers avec les mêmes matériaux testés en phase liquide au laboratoire. Finalement, en se basant sur les résultats d'adsorption en phases liquide et gaz, deux pistes ont été proposées pour la conception d’un dispositif de mesure de dioxines en ligne commercialisable. / Dioxins and furans are persistent organic pollutants generated mainly by human activity and industry during combustion processes using organochlorine substances. Due to their long-range air transport and impact on human health, it is necessary to have on-line dioxin emission monitoring at stationary source. Such a control is tipically required for incineration of no pre-sorted heterogeneous wastes.Two types of microporous materials have been selected for dioxin adsorption due to their physicochemical properties: zeolites and Metal -Organic Frameworks (MOF). Two types of adsorption tests have been established. On the one hand, dioxin adsorption tests in liquid phase in laboratory with isooctane as solvent, and on the other hand, dioxin adsorption tests in dynamic gas phase during sampling campaigns on waste incineration site with a very complex matrix.Liquid phase adsorption allowed us to conclude on the effectiveness of materials studied for dioxin adsorption. Adsorption has been after characterized by specific analysis techniques to trace adsorption mechanisms. Adsorption efficiencies were tested in gas phase on a household waste incinerator with the same materials tested in liquid phase in laboratory. Finally, taking into account liquid and gas phase results, two solutions have been proposed for a future commercialized device for on-line dioxin monitoring.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.