This dissertation describes the current and common problem of removing low concentrations of pollutants known as volatile organic compounds (VOCs) from large volume gas emissions. Silica-supported manganese oxide catalysts with loadings of 3, 10, 15, and 20 wt. % (as MnO2) were characterized using x-ray absorption spectroscopy and x-ray diffraction (XRD). The edge positions in the x-ray absorption spectra indicated that the oxidation state for the manganese decreased with increasing metal oxide loading from a value close to that of Mn2O3 (+3) to a value approximating that of Mn3O4 (+2⅔). The XRD was consistent with these results as the diffractograms for the supported catalysts of higher manganese oxide loading matched those of a Mn3O4 reference. The reactivity of the silica-supported manganese oxide catalysts in acetone oxidation using ozone as an oxidant was studied over the temperature range of 300 to 600 K. Both oxygen and ozone produced mainly CO₂ as the product of oxidation, but in the case of ozone the reaction temperature and activation energy were significantly reduced. The effect of metal oxide loading was investigated, and the activity for acetone oxidation was greater for a 10 wt. % MnOx/SiO2 catalyst sample compared to a 3 wt. % MnOx/SiO2 sample. A detailed mechanistic study of acetone oxidation using ozone was performed on a 10 wt. % silica-supported manganese oxide catalyst utilizing Raman spectroscopy, temperature programmed desorption (TPD), and kinetic measurements. In situ Raman spectroscopy at reaction conditions identified a band at 2930 cm-1 due to an adsorbed acetone species on the silica support and a band at 890 cm-1 due to an adsorbed peroxide species on the manganese oxide. A steady-state kinetic analysis, which varied acetone partial pressure (101 – 405 Pa), ozone partial pressure (101 – 1013 Pa), and temperature (318, 333, 343, and 373 K), was used to determine reaction rate expressions, while a transient kinetic study (318 K) was used to determine the role of the adsorbed species in the reaction mechanism. It was found that the rates of the acetone and ozone reactions were equally well described by both a power rate law and a Langmuir-Hinshelwood expression. The transient experiments showed that the rates of formation and reaction of the observed peroxide surface species did not correspond to the overall reaction rate, and it was concluded that it was not directly involved in the rate determining step of the reaction. A mechanism is proposed involving the reaction of an adsorbed acetone intermediate with an atomically adsorbed oxygen species via a dual site surface reaction to form complete oxidation products. / Ph. D.

This dissertation describes two related studies on hydrogenation and hydrodesulfurization of heterocyclic S-containing compounds. Alkyl substituted thiophenes are promising candidates for hydrogen carriers as the dehydrogenation reactions are known to occur under mild conditions. Four types of catalysts including supported noble metals, bimetallic noble metals, transition metal phosphides and transition metal sulfides have been investigated for 2-methylthiophene (2MT) hydrogenation and ring opening. The major products were tetrahydro-2-methylthiophene (TH2MT), pentenes and pentane, with very little C5-thiols observed. The selectivity towards the desired product TH2MT follows the order: noble metals > bimetallics > phosphides > sulfides. The best hydrogenation catalyst was 2% Pt/Al2O3 which exhibited relatively high reactivity and selectivity towards TH2MT at moderate temperatures. Temperature-programmed desorption (TPD) of hydrogen indicated that the H2 desorption amount was inversely related to the rate of TH2MT formation. Temperature programmed reaction (TPR) experiments revealed that pentanethiol became the major product, especially with HDS catalysts like CoMoS/Al2O3 and WP/SiO2, which indicates that poisoned or modified conventional HDS catalysts would be good candidates for further 2MT hydrogenation studies. The role of tetrahedral Ni(1) sites and square pyramidal Ni(2) sites in Ni2P hydrotreating catalysts was studied by substitution of Ni with Fe. The Fe component was deemed as a good probe because Ni2P and Fe2P adopt the same hexagonal crystal structure, yet Fe2P is completely inactive for hydrodesulfurization (HDS). For this purpose a series of NiFeP/SiO2 catalysts were prepared with different Ni:Fe molar ratios (1:0, 3:1, 1:1, 1:3, and 0:1) and investigated in the HDS of 4,6-dimethyldibenzothiophene at 300 and 340 oC. The uniformity of the NiFe series was demonstrated by x-ray diffraction analysis and by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy of adsorbed CO. The position of substitution of Fe was determined by extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) analysis. It was found that at 300 oC the HDS activity of the catalysts decreased with increasing Fe content and that this could be explained by the substitution of Fe at the more active Ni(2) sites. As temperature was raised to 340 oC, the activity of the Fe-containing samples increased, although not to the level of Ni2P, and this could be understood from a reconstruction of the NiFe phase to expose more Ni(2) sites. This was likely driven by the formation of surface Ni-S bonds, which could be observed by EXAFS in spent samples. / Ph. D.

This dissertation describes preparation and characterization of Ni₂P catalysts and their application in deep hydrodesulfurization (HDS) of a model sulfur compound, 4,6-dimethyldibenzothiophene (4,6-DMDBT), one of the most refractory S-compounds. This topic is of great importance in addressing recently enacted environmental regulations limiting the sulfur content in fuels. The work carried out includes synthesis of Ni₂P on different siliceous supports, SiO₂, MCM-41, and ultra-stable Y zeolite (USY). It also includes determining the characteristics of the supported Ni₂P catalysts with a wide range of techniques: X-ray powder diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared (FTIR) and X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy. The use of these techniques allowed better understanding of the nature of the active sites as well as the effect of supports. Activity tests were conducted in the HDS of 4,6-DMDBT and the HDN of quinoline. The performance of the catalysts will be compared to that of a conventional sulfide hydrotreating catalyst, Ni-Mo-S/Al₂O₃. Investigation of the reaction mechanism in the hydrodenitrogenation (HDN) of 2-methylpiperidine together with in situ FT-IR measurements were conducted to understand how catalyst properties affect activity and selectivity. / Ph. D.

El objetivo de esta tesis es estudiar la agrupación y el crecimiento de especies metálicas confinadas o soportadas en materiales porosos mediante espectroscopia de absorción de rayos X in situ. Para lograrlo, las especies de paladio y plata se han introducido en materiales porosos (¿-alúmina, carbón activo y zeolitas) mediante impregnación vía húmeda y métodos de intercambio iónico, respectivamente. Luego, el agrupamiento de estas especies metálicas se ha controlado mediante tratamientos de activación en diferentes atmósferas (inerte, oxidativa y reductiva) y seguido por XAS de manera detallada. El objetivo principal del trabajo actual es demostrar que tanto XANES como EXAFS pueden proporcionar información valiosa y, en cierto punto, innovadora durante el control de especies metálicas (en términos de tipo y tamaño de las especies). Aprovechando los procedimientos de análisis inusuales, como el análisis de los cumulantes, el ajuste de la parte imaginaria de la transformada de Fourier y otros, es posible obtener información refinada sobre los sistemas investigados. En la sección de introducción, se proporciona una compilación de estudios en los que se ha utilizado XAS como técnica importante para caracterizar especies metálicas en materiales porosos. Conscientes de que las personas pueden usar dicha introducción como base para estudios más complejos en el futuro, la discusión se ha dirigido tentativamente hacia este objetivo. El capítulo 4 se centra en el estudio de la influencia de los precursores de paladio y la naturaleza del soporte en las nanopartículas resultantes. El proceso de activación completo, es decir, la transformación precursor --> nanopartícula, ha sido seguido por XAS in situ. El análisis estuvo compuesto por el punto de partida (material impregnado), calcinación en flujo de O2 y reducción posterior con H2. La consecuencia del uso de diferentes precursores metálicos y soportes se ha discutido en términos del número de coordinación promedio obtenido a partir del análisis de datos de EXAFS, que fue respaldado por técnicas de caracterización de laboratorio. El capítulo 5 está dedicado al estudio de la agrupación de plata durante y después de los tratamientos de activación utilizando zeolitas de poro pequeño intercambiadas con plata como precursores y nanocontenedores. Se ha estudiado la influencia de la estructura y la composición química de los materiales basados en plata sobre las especies metálicas formadas en diferentes condiciones de agrupamiento y redispersión del metal (calcinación usando atmósferas distintas, reducción en H2, redispersión en O2) utilizando métodos de caracterización in situ o ex situ. Después, se discuten las consecuencias catalíticas de las zeolitas que contienen Ag en la reacción de SCO-NH3. En esta sección, la combinación de XAS in situ con varias técnicas de laboratorio ha demostrado ser fundamental para un completo entendimiento del trabajo. Finalmente, una lista de proyectos desarrollados en paralelo a esta tesis se proporciona al final de este documento. / The aim of this thesis is to study the clustering and growth of metallic species either confined or supported in porous materials by in situ X-ray absorption spectroscopy. To accomplish this task, palladium and silver species were introduced into porous materials (¿-alumina, activated carbon and zeolites) by wetness impregnation and ion-exchange methods, respectively. Then, the clustering of these metallic species was controlled by activation treatments in different atmospheres (inert, oxidative and reductive) and followed by XAS in a comprehensive way. The principal goal of current work is to demonstrate that both XANES and EXAFS can provide valuable and, at certain point, innovative information during tuning of metallic species (in terms of type and size). Taking advantage of unusual analysis procedures, such as cumulant approach, fitting of imaginary part of Fourier transform and others, it is possible to obtain refined information about the investigated systems. In the introduction section, a compilation of studies in which XAS was used as important technique to characterize metallic species in porous materials is provided. Conscious that people can use such introduction as a basis for more complex studies in the future, the discussion has been tentatively directed toward this goal. The chapter 4 is focused on the study of the influence of palladium precursors and the nature of support on the resultant nanoparticles. The whole activation process, i.e. the transformation precursor --> nanoparticle, was followed in situ by XAS. The analysis pathway was composed by the starting point (as-impregnated), calcination in O2 flow and posterior reduction with H2. The consequence of using distinct metal precursors and supports were discussed in terms of average coordination number obtained from EXAFS data analysis, which was co-supported by laboratory characterization techniques. The chapter 5 is dedicated to the study of silver clustering during and after activation treatments using Ag-containing small-pore zeolites as precursors and nanocontainers. The influence of framework structure and chemical composition of Ag-based materials on formed Ag species at different clustering and metal redispersion conditions (calcination using distinct atmospheres, reduction in H2, redispersion in O2) were studied using either in situ or ex situ characterization methods. After, the catalytic consequences of tuned Ag-containing zeolites in SCO-NH3 are discussed. In this section, the combination of in situ XAS with several laboratory techniques proved to be pivotal to have a full picture of the investigated system. Finally, a list of projects developed in parallel to this thesis is provided at the end of this document. / L'objectiu d'aquesta tesi és estudiar l'agrupació i el creixement d'espècies metàl·liques confinades o suportades en materials porosos mitjançant espectroscòpia d'absorció de raigs X in situ. Per a això, les espècies de pal·ladi i plata s'han introduït en materials porosos (¿-alúmina, carbó activat i zeolites) per mitjà de la impregnació via humida i mètodes d'intercanvi iònic, respectivament. Una vegada preparats els materials, l'agrupament de les espècies metàl·liques s'ha controlat fent ús de tractaments d'activació en diferents atmosferes (inert, oxidant i reductora) s'ha estudiat exhaustivament per XAS. L'objectiu principal del treball és demostrar que tant el XANES com l'EXAFS proporcionen informació rellevant i, en certa manera, innovadora per al control d'espècies metàl·liques (en termes de tipus i grandària d'aquestes espècies). Fent ús de procediments de tractament de dades no molt habituals com l'anàlisi de cumulants, l'ajust de la part imaginària de la transformada de Fourier i altres, és possible obtenir informació detallada sobre els sistemes estudiats. En l'apartat de la introducció, es proporciona una recopilació d'estudis en els quals s'ha utilitzat XAS com a tècnica principal per a caracteritzar les anomenades espècies metàl·liques en materials porosos. Aquesta introducció ha estat redactada per a que puga servir com a punt de partida per a futurs estudis que requereixen la utilització de XAS per a la caracterització de les espècies metàl·liques presents en els catalitzadors. El capítol 4 es centra en l'estudi de la influència dels precursors de pal·ladi i la naturalesa del suport front a les nanopartícules resultants. El procés d'activació, és a dir, la transformació precursor --> nanopartícula, ha sigut estudiat per XAS in situ. L'anàlisi per XAS va comprendre els següents passos: punt de partida (material impregnat), calcinació en flux d'O2 i reducció posterior amb H2. La utilització de diferents precursors i suports metàl·lics ha permès dur a terme una discussió, referent al nombre de coordinació mitjà obtingut a partir de l'anàlisi de dades de la zona EXAFS, que ha estat recolzat per altres tècniques de caracterització. El capítol 5 s'ha dedicat a l'estudi de l'agrupació de plata intercanviada en els catalitzadors durant i després dels tractaments d'activació. S'han utilitzat zeolites de porus xicotet, com la CHA i RHO, intercanviades amb plata. L'estudi de la influència de l'estructura zeolítica i la composició química dels materials enfront dels diferents tractaments d'activació (calcinació utilitzant diferents atmosferes, reducció en presència d'H2, re-dispersió en atmosfera d'O2) es va realitzar fent ús de mètodes de caracterització in situ o ex situ. A continuació, es discuteix la influència d'aquestes espècies metàl·liques formades, utilitzant els diferents mètodes d'activació, per a la reacció d'SCO-NH3. En aquest sentit, s'ha demostrat que la combinació de XAS in situ amb diverses tècniques habituals de laboratori és fonamental per al desenvolupament d'aquest treball. Finalment, es presenta una llista de projectes, en els quals també s'ha treballat paral·lelament, on s'ha utilitzat XAS com a tècnica de caracterització. / Wittee Lopes, C. (2018). Characterization of metallic species on porous materials by in situ XAS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107953

Diese Arbeit umfasst die Präparation sowie Charakterisierung von neuartigen Uran(IV)-Kolloiden, die in nahneutralen pH-Bereichen und unter umweltrelevanten Bedingungen stabilisiert vorliegen. Rückschlüsse auf Stabilitätsverhalten und Partikelgrößenverteilungen wurden durch dynamische Lichtstreuung, Zetapotentialmessungen sowie Ultrafiltration und Ultrazentrifugation in Kombination mit Elementanalysen getroffen. UV-Vis- und Laserfluoreszenzspektroskopie bestätigten den tetravalenten Zustand des Urans bei den Experimenten. Anders als bisherige Untersuchungen vermuten lassen, ist es möglich langzeitstabile Uran(IV)-Kolloide in höheren Konzentrationen zu erzeugen. Durch Zusatz von geochemischen Komponenten, wie Carbonat und Silikat sind diese sedimentationsstabil und im nahneutralen bis basischen pH-Bereich über längere Zeiträume beständig. Dabei zeigte sich, dass gelöstes Silikat bei der Herstellung der Kolloide eine wesentliche Rolle spielt und Uran(IV) bis zu einer Konzentration von 10-3 mol/L, entsprechend 0,238 g/L in Lösungen stabilisieren kann. Diese Urankonzentration ist dabei ca. drei Potenzen höher als für bisher bekannte silikatfreie, wässrige Uran(IV)-Kolloide. Durch die Verwendung unterschiedlicher analytischer Methoden konnte gezeigt werden, dass die Durchmesser der entstandenen Uran(IV)-Kolloide im nanoskaligen Bereich von teilweise unter 20 nm liegen. Durch diesen kolloidalen Zustand kann eine hohe Mobilität in aquatischen Systemen unterstellt werden. Zusätzlich weisen Langzeituntersuchungen darauf hin, dass diese Kolloide in einem abgeschlossenen System über Jahre stabilisiert werden. Je höher dabei das Verhältnis zwischen Silikat- und Uran(IV)-Gehalt und je höher der pH-Wert der Lösung ist, desto kleiner und stabiler sind diese Partikel. Es ist anzumerken, dass sich keine Kolloide in Abwesenheit von Uran(IV) bilden. Silikat ist in der Lage, die negative Oberflächenladung der Uran(IV)-Kolloide im nahneutralen pH-Bereich zu erhöhen. Dies führt zu einer stärkeren elektrostatischen Abstoßung bzw. repulsiven Wechselwirkungen, womit eine bessere Stabilisierung gewährleistet wird. Der isoelektrische Punkt der erzeugten Partikel wird zu niedrigeren pH-Werten verschoben. Extended-X-ray-absorption-fine-structure-Untersuchungen zeigen, dass die innere Struktur der Kolloide durch den steigenden Silikatgehalt bei deren Bildung von U-O-U-Bindungen (entsprechend Uran(IV)oxyhydroxiden) zu U-O-Si-Bindungen verändert wird. Die Koordination in der benachbarten Region von U(IV) in den U(IV)-Silikat-Kolloiden ist vergleichbar mit der des Coffinits, USiO4. Dieses, für tetravalentes Uran noch nicht beschriebene Phänomen, wurde bereits bei silikatstabilisierten Eisen(III)- oder Mangan(III,IV)-Kolloiden beobachtet und als „Sequestrierung“ bezeichnet. Die silikatstabilisierten U(IV)-Kolloide sind in Laborexperimenten unter kontrollierten Bedingungen erzeugt worden, d.h. es ist noch nicht bekannt, ob diese Phasen in der Natur frei auftreten können. Die qualitative Zusammensetzung der Matrix der experimentellen Lösungen (H+, OH-, Na+, HCO3-/CO32-, Silikat) wurde ähnlich der geochemischen Natur von Grund- bzw. Porenwässern gewählt. Dadurch kann prinzipiell von einem Vorhandensein solcher Kolloide in Wässern natürlichen Ursprungs ausgegangen werden. Die Existenz solcher Partikel würde eine Erklärung für das beobachtete Auftreten von Uran(IV)-Kolloiden in anoxischen Porenwässern oder anoxischen Grundwässern liefern. Es ist jedoch zu beachten, dass experimentell die Reduktion von Uran(VI)-Phasen vorausgesetzt wurde und eine anschließende Verdünnung in Anwesenheit von Silikat erfolgt. Umweltbezogene Untersuchungen zur Mobilität und Stabilität in aquatischen Systemen dieser Kolloide waren nicht Gegenstand der Arbeit und so kann eine umweltrelevante Beurteilung dieser neuartigen Uran(IV)-Kolloide in Bezug auf den Eintrag in die Biossphäre noch nicht getroffen werden. Die hier präsentierten Ergebnisse bieten aber die Grundlage für weitere, intensive Untersuchungen zu Möglichkeiten der Mobilisierung und Stabilisierung verwandter Actinide und Schwermetalle und sollten Bestandteil der Sicherheitsanalyse bei der Lagerung radioaktiven Abfälle in tiefen geologischen Formationen sein. / This work includes the preparation and characterization of new uranium(IV) colloids which are formed and stabilized in the near neutral pH range and under environmentally relevant conditions. Conclusions on stability behavior and particle size distributions were drawn based on results obtained by dynamic light scattering, zeta potential measurements, as well as ultrafiltration and ultracentrifugation in combination with element analyzes. Spectroscopic methodes confirmed the tetravalent state of uranium in the experiments. Unlike empirical data, it is possible to generate long-term stable uranium(IV) colloids at higher concentrations. By addition of geochemical components such as carbonate and silicate, they are stable and resistant in the near neutral pH range over a long period. It was found that dissolved silica plays an essential role in the preparation of colloids. Colloid-borne uranium(IV) up to a concentration of 10-3 mol/L, corresponding to 0,238 g/L, is stabilized in solutions. This concentration is about three orders of magnitude higher than so far known silicate-free aqueous uranium(IV) colloids. Through the use of different analytical methods (invasive and non-invasive) it could be shown that the resulting uranium(IV) colloids are in the nanoscalar range. A high mobility can be assumed in aquatic systems. Evidence is provided by photon correlation spectroscopy, ultrafiltration, and ultracentrifugation that uranium(IV) can form silicate-containing colloids of a size lower than 20 nm. The particles are generated in near neutral to slightly alkaline solutions containing geochemical relevant components (carbonate, silicate, sodium ions). They remain stable in aqueous suspension over years. Electrostatic repulsion due to a negative zeta potential in the near-neutral to alkaline pH range caused by the silicate stabilizes the uranium(IV) colloids. The isoelectric point of the nanoparticles is shifted towards lower pH values by the silicate. The higher the silicate to uranium(IV) content ratio and the higher the pH of the solution are, the smaller and more stable (in terms of pH-changes) are the particles. It should be noted that no colloids were formed in absence of uranium(IV). The mechanism of the colloidal stabilization can be regarded as “sequestration” by silicate, a phenomenon well known from heavy metal ions of high ion potential such as iron(III) or manganese(III,IV), but never reported for uranium(IV) so far. Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy showed that U–O–Si bonds, which increasingly replace the U–O–U bonds of the amorphous uranium(IV) oxyhydroxide with increasing silicate concentration, make up the internal structure of the colloids. The next-neighbor coordination of uranium(IV) in the uranium(IV)-silica colloids is comparable with that of coffinite, USiO4. The assessment of uranium behavior in the aquatic environment should take the possible existence of uranium(IV)-silica colloids into consideration. Their occurrence might influence uranium migration in anoxic waters. The silicate-stabilized colloids have been generated in laboratory experiments under controlled conditions; i.e., it is not known yet whether these phases can occur in natural water. The qualitative composition of the matrix of the experimental solutions (H+, OH-, Na+, HCO3-/CO32-, silicate) was chosen similar to the geochemical nature of groundwater. Thereby, it can be assumed that such colloids are present in natural waters. The existence of such particles would provide an ex-planation for the occurrence of uranium(IV) colloids in anoxic pore waters or groundwaters. However, it should be noted that these results were observed by the reduction of uranium(VI) carbonate and dilution in the presence of silicate. Studies on the mobility and stability of these colloids in aquatic systems were not subject of this work and an environmental assessment of these novel uranium(IV) colloids with respect to the entry in the biosphere cannot be taken into account. But the possibilities of mobilization and stabilization can be applied to surrogate actinides and heavy metals, and point to the need for more intensive research in this area.

Uran kann sowohl durch geogene als auch anthropogene Vorgänge in die Umwelt gelangen. Dazu zählen natürliche Uranerzvorkommen und deren Leaching sowie die Auswaschung von Uran aus den Hinterlassenschaften des ehemaligen Uranerzbergbaus. Die Aufklärung des Verhaltens von Uran in der Geo- und Biosphäre ist für eine Risikoabschätzung des Migrationsverhaltens von Radionukliden in der Umwelt notwendig. Algen sind in der Natur weit verbreitet und die wichtigste Organismengruppe in den aquatischen Lebensräumen. Durch ihre ubiquitäre Verbreitung in der Natur ist ihr Einfluss auf das Migrationsverhalten von Uran in der Umwelt von grundlegendem Interesse z.B. um effektive und wirtschaftliche Remediationsstrategien für Wässer zu entwickeln. Außerdem stehen Algen am Beginn der Nahrungskette und spielen eine wirtschaftlich relevante Rolle als Nahrung beziehungsweise Nahrungsergänzungsmittel. Die Möglichkeit des Transfers von algengebundenem Uran entlang der Nahrungskette könnte eine ernsthafte Gesundheitsgefahr für den Menschen darstellen. Das Ziel dieser Arbeit war die quantitative und strukturelle Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Uran(VI) und der Grünalge Chlorella vulgaris im umweltrelevanten Konzentrations- und pH-Wertbereich unter besonderer Berücksichtigung der Stoffwechselaktivität. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse der Sorptionsexperimente zeigen deutlich den maßgeblichen Einfluss des Stoffwechselstatus von Chlorella auf die Wechselwirkung mit Uran. So kann in Gegenwart von umweltrelevanten Urankonzentrationen eine Remobilisierung von zuvor passiv gebundenem Uran durch die stoffwechselaktiven Algen erfolgen. Die in Abhängigkeit von der Stoffwechselaktivität, der Urankonzentration und dem pH-Wert mit den Algenzellen gebildeten Uran(VI)-Komplexe wurden strukturell mit Hilfe der spektroskopischen Methoden TRLF-, EXAFS- und ATR-FTIR-Spektroskopie charakterisiert. Mittels TEM konnte Uran in Form von 30-70 nm großen nadelförmigen Ablagerungen in der Zellwand der lebende Algenzellen nachgewiesen werden. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur Vorhersage des Migrationsverhaltens von Uran unter umweltrelevanten Bedingungen und der radiologischen Risikobewertung von geogen und anthropogen auftretendem Uran.

Ce travail de thèse expérimental porte sur l'élaboration et l'étude de systèmes hybrides 1D de nanotubes de carbone mono-feuillets, fonctionnalisés de manière non covalente, sous deux aspects. La première étude s'intéresse à l'intercalation de rubidium dans les faisceaux de nanotubes. L'objectif est de faire le lien entre les propriétés structurales des nanotubes dopés et leurs propriétés électroniques au cours du dopage. Un dispositif original dédié, adapté à l'utilisation sur grands instruments et permettant le suivi « in-situ » de l'intercalation par une approche multi-techniques, a été développé dans ce but. Nous mettons en évidence par EXAFS que l'arrangement local autour des ions rubidium est dépendant de la stœchiométrie des composés étudiés. Il apparaît alors qu'à faible taux de dopage, les sites de défauts oxygénés sont privilégiés. Le changement de structure est également relié à une transition semi-conducteur/métal des nanotubes, observée par mesure de résistance électrique et spectroscopie Raman, et induite par le dopage des nanotubes par le rubidium.La seconde partie expérimentale est consacrée à l'étude du confinement d'oligothiophènes à l'intérieur de nanotubes de carbone mono-feuillets. Des mesures de diffraction des rayons X et de microscopie électronique en transmission haute résolution démontrent l'efficacité de notre protocole d'encapsulation. D'autre part, différentes spectroscopies, absorptions UV-Visible et infrarouge et diffusion Raman, indiquent un transfert de charge relativement faible entre les molécules encapsulées et les nanotubes de carbone. Ce résultat est très bien mis en évidence par les modifications de profil, d'intensité et de fréquence des modes Raman hautes fréquences. On notera le bon accord entre les résultats obtenus ici et les effets de renormalisation de l'énergie de phonon discutés dans la littérature. En complément, des effets de confinement liés au diamètre des nanotubes ont été mis en évidence par l'étude des modes Raman basses fréquences. Deux modèles structuraux sont proposés pour expliquer les tendances observées. Le premier suggère un comportement indépendant de la nature de l'espèce insérée. Dans le second, le nombre de chaines d'oligothiophènes encapsulées en fonction du diamètre des tubes est pris en compte. De plus, nous montrons également une influence significative des défauts structuraux sur les systèmes hybrides. / This experimental work concerns the development and the study of 1D hybrid systems of single-walled carbon nanotubes non-covalently fonctionnalized. Two different approaches are discussed. The first experimental study deals with the intercalation of rubidium in carbon nanotubes bundles. The aim is to link structural and electronic properties along the doping process. To do, we developed an original and dedicated home-made set adapted to the use on synchrotron facilities. It permits the following of the intercalation by means of an in-situ multi-techniques approach. In this part, we pointed out that the local environnement of rubidium is dependant of the compound stœchiometries. It appears that oxygenated surface defects are first occupied for low doping rates. The structure modification is also linked to a semiconducting/metal transition of carbon nanotubes observed by resistance measurements and Raman spectroscopy. The second experimental study is devoted to the confinement of oligothiophenes inside single-walled carbon nanotubes. X-Ray diffraction and high resolution transmission electronic microscopy measurements demonstrate the efficiency of our encapsulation process. Several spectroscopic techniques such as UV-Visible and infrared absorptions and Raman diffusion indicate a weak charge transfer between both systems. This result is well evidenced by the profile, intensity and frequency modifications of the high frequency Raman modes. We note the good agreement of these results with the energy renormalisation of phonons discussed in the literature. In addition, some confinement effects depending on carbon nanotubes diameter are pointed out by the study of low frequency Raman modes. Two models are proposed to explain the observed trend. The first one suggests a behavior independent of the nature of the inserted element. In the second one, the number of oligothiophene chains encapsulated in function of carbon nanotubes diameter is considered. We also show a significative influence of carbon nanotube defects on hybrid systems.

Les “alliages à haute entropie (de mélange)” (AHE) sont une nouvelle famille de matériaux prometteurs. Ils sont caractérisés par la formation d'une solution solide à 5 éléments (en proportions équiatomiques) de structure cristalline simple. Dans cette thèse, la composition cubique centrée TiZrNbHfTa est étudiée, proposant une caractérisation en profondeur d’un alliage considéré « de référence » dans la famille des AHE réfractaires.Tout d'abord, la microstructure et la structure de l’alliage (dans son état brut de coulée ou recristallisé) sont étudiées. L’environnement local de sous-systèmes de TiZrNbHfTa est analysé par EXAFS. Le traitement des données est effectué par une double approche d’affinement EXAFS et de simulation Reverse Monte-Carlo couplée à une approche d’algorithme génétique. Un mélange quasi-parfait des différents éléments est obtenu à l’échelle locale et la distribution de distance des premiers voisins devient moins bien définie sous l’effet de l’augmentation des différences entre rayons atomiques.Ensuite, l’impact de la solution solide concentrée sur les propriétés mécaniques et les mécanismes de déformation de l’alliage est étudié. Des essais mécaniques spécifiques sont effectués, conduisant à l’obtention des volumes d’activation et à la partition de la contrainte d’écoulement. Une étude MET complémentaire permet d'analyser les microstructures de déformation. Une très haute limite d’élasticité est obtenue, mais la force de friction de Peierls contrôle de manière classique la déformation de cet alliage à la température ambiante, ce qui conduit à un taux d’écrouissage limité. Une nouvelle approche visant à augmenter cette propriété est finalement proposée / High entropy alloys (HEA) are a new promising type of materials. Breaking with the traditional alloying concepts, solid solution(s) based on 5 elements in equiatomic concentration with simple crystal structures are obtained. In this study, the equiatomic composition TiZrNbHfTa is investigated, in order to provide an in-depth characterization of a “reference” body centered cubic refractory HEA.First, the microstructure and structure of the alloy are studied. Thermomechanical treatments procedures are established to access recrystallized microstructures. The local environment is studied by EXAFS in sub-components of the TiZrNbHfTa system. The double approach used, based on EXAFS fit and reverse Monte-Carlo coupled with evolutionary algorithm allowed to quantify both the mixing of the elements at the atomic scale and the lattice distortion. For all the investigated compositions, good mixing is achieved, and the distance distribution of first nearest neighbors becomes less precise with increasing atomic size mismatch.Then, the impact of such concentrated multi-element solid solution on the mechanical properties and the deformation mechanism of the material is investigated by specific tests. The activation volumes and the flow stress partition are extracted. The mechanical results are coupled with a TEM study. This part evidences that the alloy displays an impressive yield strength. However, the high lattice friction controlling the dislocation glide does not differ from classical bcc structures, leading to a rather low work hardening. A new design approach aiming at increasing the work-hardening in such materials is finally proposed, and a proof of concept is given

Ce travail est peut être séparé en deux parties. Dans la première, nous rapportons l'étude menée sur un composé modèle d'hydroxyde de Nickel. La caractérisation de ce composé par diffraction X montre qu'il possède une cristallinité supérieure aux hydroxydes de nickel habituellement utilisés. L'observation au microscope électronique à balayage révèle que la poudre est constituée de grains hexagonaux, de dimension supérieure au micromètre, formés de monocristaux, eux aussi hexagonaux, empilés de façon très ordonnée. Les mesures électrochimiques montrent quant à elles que les composés modèles présentent des propriétés redox intéressantes. La morphologie très particulière de ce composé confère à cet hydroxyde de nickel un comportement de type monocristal en spectroscopie Raman. Des mesures in-situ, couplant voltamétrie cyclique et spectroscopie Raman, réalisées sur ce composé modèle, ont donc été mises en place. Les premiers résultats montrent que ces expériences pourraient nous aider à améliorer notre compréhension des mécanismes redox fondamentaux mis en jeu.Dans la deuxième partie, nous étudions le comportement électrochimique d'une électrode de nickel lorsque l'électrolyte (i.e. KOH 7N) est saturé en zinc. Des électrodes de type industriel ont été préparées à partir d'un hydroxyde de Nickel standard et non dopé, puis cyclées en condition galvanostatique. Les échantillons ainsi obtenus ont ensuite été caractérisés par MEB, DRX, IR et EXAFS. Cette dernière technique qui s'est avérée être la plus appropriée pour l'analyse de ces matériaux d'électrodes très hétérogènes nous a ainsi permis d'apporter des réponses pertinentes sur l'insertion du zinc dans la structure cristalline de Ni(OH)2. / This work may be separated in two parts. First, we report the study of a model compound of nickel hydroxide. X-ray diffraction shows that this compound has a better crystallinity than the standard nickel hydroxides used in commercial battery. Scanning Electron Microscopy revealed that the powder of this model hydroxide is composed of hexagonal grains whose dimension is larger than micrometer and who are formed of single-crystals, also hexagonal, stacked in a well ordered way. The electrochemical measurements show that this nickel hydroxide exhibit interesting redox properties. The particular morphology of the compound gives single-crystal type behavior in Raman spectroscopy. Therefore, in-situ measurements combining electrochemical measurements and Raman spectroscopy, performed on a single microscopic hexagonal plate, are proposed. Preliminary results emphasize that this experiment may help us to improve our understanding of the fundamental redox mechanism taking place in nickel hydroxide.Secondly, we study the electrochemical behavior of a nickel electrode in the presence of Zinc in the electrolyte. Industrial-type electrodes were prepared from a standard undoped nickel hydroxide. Then, samples obtained after electrochemical test were characterized by SEM, XRD, IR and EXAFS. The later which turned out to be the most appropriate for the analysis of our electrode materials, allowed us to get deeper insights in the insertion of zinc in the structure of Ni(OH)2.

Depuis le développement de l'industrie nucléaire, les risques de contamination humaine avec des actinides subsistent et doivent être pris en considération. Le développement des arsenaux nucléaires, les accidents industriels liés à la filière nucléaire civile (Tchernobyl, Fukushima) ou l’utilisation d’armement à l’uranium appauvri dans les conflits armés (Guerre du Golfe, Kosovo) font des contre-mesures visant à décorporer les actinides chez l'homme un enjeu stratégique majeur. Les actinides sont des éléments radiotoxiques et chimiotoxiques (dont la dangerosité dépend de l'isotopie) qui, en cas d’absorption, peuvent provoquer des dommages (cancers, nécroses, etc.) aux tissus et aux organes qu’ils ciblent (foie, reins, squelette). Actuellement l’efficacité de décorporation du chélatant moléculaire de référence, le DTPA (acide diéthylènetriamine pentaacétique), est limitée par sa faible distribution aux organes touchés par la rétention des actinides. Ce projet de thèse constitue une première étape dans l’exploration d’une stratégie de fonctionnalisation macromoléculaire pour vectoriser les agents chélatants vers ces organes cibles de la rétention des actinides dans le but d’augmenter leur excrétion. Pour initier cette problématique, nous avons choisi de nous intéresser aux capacités de complexation de l’uranyle (U(VI)), du plutonium et du thorium (Pu(IV) et Th(IV)) par deux polyéthylèneimines (PEI) fonctionnalisés avec des groupements carboxylate et phosphonate. L’élaboration des courbes de charge associées à la formation des complexes polymériques d’actinides combinées à des études de spectroscopie EXAFS et IR en milieu pseudo-biologique ont permis de définir les capacités de charge maximale de chaque polymère et de caractériser les sites de complexation. Ces données permettent de mieux comprendre les mécanismes d'affinité des polyéthylèneimines fonctionnalisés pour les actinides considérés et donc de progresser dans le design de décorporants. / Since the development of the nuclear industry, the risks of human contamination with actinides are not to be neglected and should be taken in account. Development of the nuclear weapon programs, nuclear plant accidents from civil use (Chernobyl, Fukushima) or use of depleted uranium ammunitions in war zones (Gulf War, Kosovo) have made countermeasures to decorporate actinides in humans an important strategic issue. Actinides are radiotoxic and chemotoxic elements (the relative dangerousness of which depends on their isotopy) which, if absorbed, can cause damages to the tissues and organs they target (bone, liver cancers or necrosis, etc.). To date the efficiency of the molecular decorporation agent of reference, DTPA (diethyleneiminetriamine pentaacetic acid), is limited by its weak distribution rate to the target organs (bone, liver, kidneys). This project explores the possibility to enhance the actinide body excretion using a targeting strategy of the decorporation agent towards the target organs. To initiate this question, we have chosen to focus on the complexing capacities of uranyl (U (VI)), plutonium and thorium (Pu (IV) and Th (IV)) by two polyethyleneimines (PEI) functionalized with carboxylate and phosphonate groups. The measurement of the uptake curves associated with the formation of the actinide polymer complexes combined with EXAFS and IR spectroscopic studies in a pseudo-biological medium made it possible to define the maximum loading capacities of each polymer and to characterize the complexation sites. These data allow to better understand the mechanisms of affinity of the functionalized polyethyleneimines for the above actinides and thus to progress in the design of new decorporation agents.