Ce manuscrit de thèse est consacré à la modification de feutres de carbone pour la préparation de matériaux d’électrodes hautement performants pour le procédé électro-Fenton (EF), appliqué aux traitements des eaux chargées en polluants bioréfractaires. Dans un premier temps, des feutres de carbone commerciaux (CF) ont été mis en œuvre pour optimiser l'élimination de colorants (Acide Orange) et de produits pharmaceutiques (Paracétamol). Les chemins réactionnels conduisant à la minéralisation de ces polluants bioréfractaires ont été élucidés et la toxicité des sous-produits identifiés a été déterminée à différents temps d’électrolyse. Dans la suite du travail, une nouvelle cathode a été préparée par dépôt électrochimique d'oxyde de graphène réduit (rGO) sur la surface des feutres de carbone commerciaux. Divers moyens de réduction ont été étudiés et les propriétés structurales et texturales de l'électrode modifiée ont été déterminées par microscope électronique à balayage, diffraction des rayons X, Spectrométrie photoélectronique X, BET et mesure d'angle de contact. La cathode élaborée présente une bonne stabilité et une grande efficacité de traitement lorsqu'elle est appliquée pour décomposer l’Acide Orange 7 (AO7), la molécule de colorant azoïque modèle choisie. Dans une dernière partie du travail, nous avons proposé un système original de traitement électrochimique de type EF à base d’une pile à glucose. Dans ce système, l’énergie nécessaire est fournie par l’oxydation du glucose à l’anode, sur feutre de carbone décoré de nanoparticules d’or alors que la cathode est constituée du feutre modifié par un carbone microporeux dopé en azote présentant des propriétés d’électrocatalyse compatibles à la réduction de l’oxygène en peroxyde d’hydrogène dans la cellule de type pile à combustible. Le manuscrit présente la synthèse et la caractérisation de ces deux électrodes. L’originalité du travail réside en la quantité particulièrement faible d’or nécessaire à l’anode et au potentiel de réduction de l’oxygène particulièrement haut obtenus sur les carbones microporeux dopés à l’azote. Les propriétés catalytiques de l'anode et de la cathode ont induit une densité de courant de sortie stable (360,3 ± 51,5 mA.m-2 à 400 ± 50 mV) et maintenue à long terme. En conséquence, 90% de la concentration initiale du polluant (AO7) a été éliminée après une dégradation prolongée de 10 h. La puissance de la cellule est faible (170 mW.m-2) mais constante au moins pendant deux mois. Cette première preuve de concept d'un système abiotique de type pile à combustible - Fenton a démontré une efficacité élevée vis-à-vis de la dégradation des polluants bioréfractaires avec un énorme potentiel dans les domaines liés à l'énergie et la protection de l’environnement. / This thesis manuscript presented the modification and application of carbon felt material for wastewater treatment accommodating biorefractory pollutants by electro-Fenton (EF) process. First of all, the optimal condition of EF treatment for dye/pharmaceuticals removal using commercial carbon felt (CF) was investigated. From that, the degradation pathways in the relationship with the toxicity of their by-products were built and proposed. Concerning the modification for commercial CF, a new cathode was set up by electrochemical deposition of reduced Graphene Oxide (rGO) on the surface of CF via various reduction ways. The structure property of modified electrode was investigated by SEM, XRD, XPS, BET and contact angle measurement. The new cathode exhibited good stability and high treatment efficiency when it was applied to decompose Acid Orange 7 (AO7), a model azo dye molecule. The EF treatment was also developed further by contributing a new Fuel-cell Fenton system without any external power supply. In this approach, AO7 was continuously chosen to degrade by electro-Fenton process at a designed cathode (Carbon Felt (CF)/porous Carbon (pC)) supplied by direct clean electrical energy from abiotic glucose oxidation at a CF/gold anode (CF@Au). The catalytic properties of both anode and cathode induced a stable output current density of 360.3 ± 51.5 mA m−2 at 400 ± 50 mV, maintained for long-term period. As a consequence, 90 % of the initial concentration of the pollutant, identified by HPLC analysis, was eliminated upon extended EF degradation for 10 h, and the cell power output of 170 mW m-2 was stable at least for two months. Hence, this first proof of concept of an abiotic Fuel cell – Fenton system demonstrated a high efficiency towards pollutant degradation with a huge potential in both energy-related areas and environmental protection.

AbstractLes polluants émergents que sont les résidus de produits pharmaceutiques sont devenus une problématique majeure de par leur persistance et leur accumulation continue dans les différents compartiments de l’environnement. Leur élimination est un des challenges majeurs de ce siècle. Les procédés électrochimiques d’oxydation avancée (PEOA) tel que l’oxydation anodique (AO) et l’électro-Fenton (EF) ont démontré leur efficacité pour la dégradation et la minéralisation complète de cette classe de polluant. Un oxyde de titane sous-stœchiométrique déposé par plasma sur un alliage de titane a été étudié comme anode alternative peu coûteuse, stable et efficace au cours des procédés d’OA et d’EF pour la dégradation et la minéralisation de deux pharmaceutiques, l’amoxicilline (AMX) et le propanolol (PPN). Une excellente minéralisation de ces deux composés a été atteinte avec l’anode Ti4O7 comparé à l’utilisation d’une anode dimensionnellement stable (ADS) et d’une anode de platine (Pt) avec des conditions expérimentales similaires, mais une plus faible efficacité a été observé par comparaison à une anode de diamant dopé au bore (DDB) au cours du procédé d’OA. Une quasi-total minéralisation (96%) du PPN a été atteinte avec l’anode Ti4O7 au cours du procédé EF après 8 h d’électrolyse à 120 mA. Plusieurs intermédiaires aromatiques, bicycliques et autres ont été identifiés et quantifiés au cours du traitement électrochimique des deux composés pharmaceutiques, ainsi que des acides carboxyliques à chaîne courte et des ions inorganique comme produits finaux de dégradation. Des voies plausibles de dégradation ont été proposées à partir des intermédiaires identifiés, des ions inorganiques libérés ainsi que des données obtenues sur les acides carboxyliques et le COT. La solution initiale d’AMX a mené à une relativement forte inhibition de la bactérie V. fisheri, qui a ensuite augmenté au cours des premiers stades de l’électro-oxydation de par la formation d’intermédiaires cycliques plus toxiques que la molécule mère, avant de diminuer nettement au cours des étapes suivantes de l’électrolyse. Puisque le Ti4O7 est produit principalement à partir du TiO2, un matériau bon marché et abondant, ce matériau d’anode pourrait être une alternative intéressante pour le traitement des eaux usées industrielles par oxydation électrochimique. Par ailleurs, une cathode de feutre de carbone modifiée par des composés hydroxydes à double couche CoFe (CoFe-LDH/CF) et synthétisée par un procédé solvothermique a été étudiée come catalyseur/électrode pour la dégradation du polluant organique Acide Orange II (AO7) par le procédé EF sur une gamme large de pH. Une excellente minéralisation de ce colorant a été atteinte pour des pH allant de 2 à 7.1, avec une élimination du COT largement supérieure à celle atteinte en utilisant le procédé EF avec une cathode de feutre de carbone brut, quel que soit le pH étudié. La cathode préparée a montré une bonne capacité de réutilisation et peut constituer une alternative pour le traitement des eaux usées à des valeurs de pH naturel / Pharmaceuticals residues as emerging pollutants have become a major concern due to their persistence and continuous accumulation in various environmental compartments and their removal is one the major challenges of this century. Electrochemical advanced oxidation processes (EAOPs) such as anodic oxidation (AO) and electro-Fenton (EF) have shown to be efficient techniques for complete degradation and mineralization of this class of pollutants. A substoichiometric titanium oxide (Ti4O7) deposited on titanium alloy by plasma elaboration was investigated as an alternative stable and efficient low cost anode materials for application in AO and EF for degradation of pharmaceuticals amoxicillin (AMX) and propranolol (PPN) and mineralization of their aqueous solutions. Excellent mineralization of both pharmaceuticals was achieved with Ti4O7 anode compared to dimensional stable anode (DSA) and platinum (Pt) anodes at similar experimental conditions, but less efficient when compared with boron doped diamond (BDD) anode during AO treatment. Almost complete mineralization (96%) was attained with Ti4O7 anode in EF degradation of PPN at 120 mA after 8 h of electrolysis. Several aromatic, bicyclic and other intermediate byproducts were identified and quantified during the electrochemical treatment of both pharmaceuticals, with the final end products in the treated solutions being short-chain carboxylic acids and inorganic ions. Plausible mineralization pathways for both pharmaceuticals were proposed based on the identified intermediates, released inorganic ions and carboxylic acids as well as TOC data. Initial AMX solution shows relatively high inhibition to V. fischeri bacteria, which further increased at the early stage of electrooxidation due to formation of cyclic intermediates more toxic than mother molecules but sharply decreased at the later stage of electrolysis. Since the Ti4O7 is produced mainly from TiO2 which is very cheap and highly abundant material, this anode material could be an interesting alternative electrode in industrial wastewater treatment by electrochemical oxidation. On the other hand, CoFe-layer double hydroxide modified carbon-felt (CoFe-LDH/CF) cathode synthesized by solvothermal process was studied as a heterogeneous catalyst/electrode for degradation of organic pollutant Acid Orange II (AO7) over a wide pH range. Excellent mineralization of this azo dye solution was achieved in pH range 2 – 7.1, with TOC removal much higher than corresponding homogeneous EF with raw carbon-felt (CF) at all pH studied. The prepared cathode exhibited good reusability and can constitute an alternative for the treatment wastewater effluents at neutral pH values

De nos jours, les matériaux carbonés macroscopiques font face à un nombre croissant d'applications en catalyse, soit en tant que supports, soit directement en tant que catalyseurs sans métal. Cependant, il reste difficile de développer un support de catalyseur hiérarchisé à base de. carbone ou un catalyseur utilisant un procédé de synthèse beaucoup plus simple. À la recherche de nouveaux matériaux carbonés structurés pour la catalyse hétérogène, nous avons exploré le potentiel du feutre de carbone / graphite du commerce (FC / FG). Le but du travail décrit dans cette thèse a été le développement du monolithe FG et FC en tant que catalyseur sans métal pour les réactions d’oxydation en phase gazeuse et en tant que support de catalyseur, notamment pour le palladium, pour les réactions d’hydrogénation en phase liquide, et leur rôle dans la performance de réaction de ces catalyseurs. En raison de leur surface de chimie inerte avec une mouillabilité inappropriée, une telle étude avait pour condition d'activer celles d'origine. Par conséquent, des FG et des FC modifiés bien arrondis ont été synthétisés avec des propriétés physico-chimiques adaptées par une série de procédés de traitement chimique, tels que l'oxydation, l'amination, la thiolation, le dopage à l'azote et au soufre. L’oxydation partielle du sulfure d’hydrogène en soufre élémentaire et l’hydrogénation sélective du cinnamaldéhyde α, β-insaturé, en tant que réactions sensibles à l’effet des propriétés du catalyseur sur l’activité et la sélectivité, combinées à des techniques de caractérisation, ont été choisis pour étudier l’effet de la matériaux carbonés sur le comportement catalytique. / Nowadays, macroscopic carbon materials are facing an increasing number of applications in catalysis, either as supports or directly as metal-free catalysts on their own. However, it is still challenging to develop hierarchical carbon-based catalyst support or catalyst using a much simple synthesis process. In the quest for novel structured carbon materials for heterogeneous catalysis we explored the potential of commercial carbon/graphite felt (CF/GF). The aim of the work described in this thesis has been the development of GF and CF monolith as metal-free catalyst for gas-phase oxidation reactions and as catalyst support, notably for palladium, for liquid-phase hydrogenation reactions, and their roles in the reaction performance of these catalysts. Due to their inert chemistry surface with inappropriate wettability, a prerequisite for such a study was to activate the origin ones. Therefore, well-rounded modified GFs and CFs were synthesized with tailored physic-chemical properties by a series of chemical treatment processes, such as oxidation, amination, thiolation, nitrogen- and sulfur-doping. The partial oxidation of hydrogen sulfide into elemental sulfur and selective hydrogenation of α, β-unsaturated cinnamaldehyde, as the sensitive test reactions to the influence of the catalyst properties on activity and selectivity, combined with characterization techniques, were chosen to investigate the effect of functionalized carbon materials on the catalytic behavior.