Prédire la propagation de la flamme lors d'une explosion de mélanges hybrides poudre/gaz dans des géométries complexes est un défi qui mobilise de multiples ressources. Une approche consiste à déterminer expérimentalement les caractéristiques inhérentes des mélanges poussière-air, comme la vitesse de flamme laminaire, et de les utiliser comme entrées dans les logiciels de Mécanique des Fluides Numérique (CFD). Néanmoins, la caractérisation expérimentale de la vitesse de combustion de suspensions turbulentes de poussières dans l’air est délicate de par notamment la variabilité des propriétés des poudres (taille des particules, humidité...), l'impossibilité de générer un nuage de poussière sans turbulence et l'impact de la poudre sur le rayonnement de la flamme. L’objectif de ce travail était de développer une approche permettant d’évaluer les propriétés fondamentales de propagation des flammes, à partir d'expériences en système fermé et des courbes d'évolution pression-temps, mais surtout grâce à l'analyse de la vitesse de flamme en fonction de son étirement et des instabilités hydrodynamiques. Dans une première étape, la turbulence du nuage de poussière avant inflammation a été étudiée. L'impact de la phase de pyrolyse sur l'explosion de poudres organiques a été aussi souligné expérimentalement et à l’aide d’un modèle de pyrolyse flash. Ensuite, le comportement de mélanges hybrides composés de gaz de pyrolyse et poudres organiques a été analysé, démontrant leurs particularités. Enfin, les interactions turbulence/combustion lors la propagation de la flamme ont été étudiés afin d'en extraire une vitesse de flamme ‘pseudo’ laminaire de la poussière ou des mélanges hybrides / Predicting the flame propagation during a dust/gas hybrid mixture explosion in complex geometries is a challenge that mobilizes numerous resources. One approach consists on experimentally determining the inherent characteristics of dust-air mixtures, like the laminar flame speed, and using them as input for Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation programs. Nevertheless, the experimental characterization of the burning rates of turbulent dust clouds in air still delicate due to the variability of the properties of powders (particle size distribution, moisture…), the physical impossibility to generate a quiescent dust cloud and the impact of powder on the flame radiation among others. The ultimate goal of this work was to develop an approach to assess fundamental flame propagation properties, from closed vessel experiments and pressure-time evolution curves, but specially from the analysis of flame velocity as a function of its stretching and of the hydrodynamic instabilities. In a first step, the turbulence of the initial dust cloud has been studied. The impact of the pyrolysis phase on organic dusts explosion has also been highlighted both experimentally and by means of model for flash pyrolysis. Furthermore, the explosive behaviour of gas-dusts hybrid mixtures composed of pyrolysis gases and organic dusts has been analysed. Finally, the turbulence/combustion interactions during flame propagation have been studied in order to extract the “pseudo” laminar flame velocity of dusts clouds or hybrid mixtures

Les Polyoxométallates (POMs) sont des nano-molécules anioniques faites par des métaux fortement oxydés et d'oxygène, dont la structure est facilement contrôlée en changeant les conditions synthétiques. Les POMs simples sont utilisés dans des processus industriels comme catalyseurs acides de Brønsted ou comme oxydants. Pour concevoir des nouvelles structures hybrides catalytiques pour la catalyse acide asymétrique (enzymes artificielles), façon Brønsted, nous avons fonctionnalisé le POM (P2W15V3O62)9- avec des ligands organiques (amides et urées). Des études pour comprendre comment le POM influence l'activité acide du ligand organique ont été faites : le POM permet d'améliorer l'acidité des protons du ligand grâce à son caractère electro-attracteur et à sa propriété d'agir comme un réservoir d'électrons. En plus, les POMs lacunaires (?1/?2-P2W17O61)10- étaient fonctionnalisés par des chaînes polyglyciniques de différentes longueurs, dans le but d'étudier par RMN à très haut-champ et par Dynamique Moléculaire quìels sont les facteurs critiques dirigeant les interactions intra-moléculaires en solution, entre les polypeptides et le POM. Le polyoxométallate permet de rigidifier les chaînes peptidiques, agissant comme accepteur des liaisons hydrogène contre les protons amidiques de la chaîne latérale. Nous avons démontré que l'interaction est une fonction de la longueur de chaîne peptidique, de la position de la lacune sur le POM et de la position spécifique du proton sur la chaine latérale / Polyoxometalates (POMs) are anionic nano-molecules made by highly oxidized metals and oxygen, whose structure can be easily controlled changing synthetic conditions. Thanks to their robustness, simple POMs are regularly used in industrial processes as Brønsted acids or oxidants. With the aim to rationally design new hybrid POM-based Brønsted acid catalysts for asymmetric catalysis (artificial enzymes), we functionalized the inorganic framework (P2W15V3O62)9- with organic moieties (amides and ureas) to understand how the POM can influence the acid activity of the organo ligands. We established that the POM allows to improve the acidity of the protons in the organo-ligands thanks to its electrowithdrawing character and its property to act as electron reservoir.In parallel, the lacunary (?1/?2-P2W17O61)10- POMs were functionalized with polyglycines chains of different lengths to understand through high-field NMR studies and Molecular Dynamics simulations which are the critical factors governing the intramolecular interactions in solution between polypeptides and the POM surface. The polyoxometalate rigidifies the peptide chains, acting as H-bonding acceptor versus the amidic protons of the lateral chain. We also demonstrated that the interaction is a function of the peptide chain length, the lacuna position on the POM and the amidic proton position on the lateral chain

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.

Cette thèse présente la synthèse et la caractérisation de nanoparticules d’or bi-fonctionnelles. Plusieurs voies de synthèse de nanoparticules d’or sphériques sont présentées afin d’obtenir des nanoparticules de 2 nm, 5 nm, 15 nm ou 35 nm de diamètre. La couronne de ligands peut être rendue bi-fonctionnelle par deux procédés : les synthèses bi-ligands ou les échanges de ligands. Dans les deux cas, la composition de la couronne de ligands est étudiée par résonance magnétique nucléaire et elle s’avère être systématiquement différente de la composition du milieu réactionnel, chaque ligand introduisant des interactions intermoléculaires particulières qui lui confèrent des propriétés de complexation propres vis-à-vis de la surface d’or. La ségrégation des ligands en surface est étudiée par nucléation hétérogène et régiosélective de silice et aboutit à la formation de nanostructures or/silice asymétriques, révélant une séparation de phase des ligands sous forme de patches dans certains cas. Enfin, une influence particulière des ligands aromatiques sur les propriétés optiques des nanoparticules d’or est observée, se traduisant par un fort décalage de la position de la bande plasmon de surface localisé vers les grandes longueurs d’onde. Une étude théorique montre l’influence de ces ligands sur les transitions interbandes de l’or au sein des nanoparticules. / This thesis shows the synthesis and the characterization of bi-functional gold nanoparticles. Several synthesis of spherical gold nanoparticles are presented in order to obtain nanoparticles with a diameter of 2 nm, 5 nm, 15 nm or 35 nm. The ligand shell can become bi-functional from two processes: bi-ligand synthesis or ligand exchange. In both cases, the composition of the ligand shell is studied by nuclear magnetic resonance and is shown to be systematically different from the reaction medium’s composition, each ligand introducing particular intermolecular interactions which provide it proper complexing abilities against the gold surface. The ligand segregation on the surface is studied thanks to regioselective heterogeneous nucleation of silica, leading to the formation of asymmetric gold/silica nanostructures, thus revealing a phase separation of the ligands in certain cases. Then, a particular influence of aromatic ligands on the optical properties of the gold nanoparticles is observed, showing a strong shift of the localized surface plasmon band to higher wavelengths. A theorical study shows the influence of this kind of ligands on the gold interband transitions in the nanoparticles.Keywords: gold nanoparticles, functionnalization, ligand exchange, segregation, gold/silica hybrid nanostructures, plasmonics, nuclear magnetic resonance.

Les systèmes hybrides sont au cœur des systèmes cyber-physiques. De tels systèmes représentent l’interaction de processus physiques continus modélisant généralement l'environnement avec des décisions discrètes issues d'un système de contrôle commande électronique. La vérification de ces systèmes est cruciale pour assurer leur sûreté dès la phase de modélisation. Les recherches sur les systèmes hybrides ont de nombreux domaines d’application, notamment le transport, l’aéronautique et la biologie. La thèse étudie des principes du raisonnement qualitatif et les applique à la vérification des systèmes hybrides. Le travail consiste à élaborer une méthode pour abstraire le système hybride en utilisant des principes qualitatifs. On recourt à une discrétisation finie de l'espace d'état tout en conservant des caractéristiques qualitatives du système. L'abstraction calculée permet de prouver des propriétés au niveau du système hybride concret et fournit une représentation du comportement global du système. Un outil développé en C++ permet de calculer l'abstraction d'un système hybride donné. Une évaluation de ses performances est établie. On s'intéresse particulièrement à une propriété de sûreté des systèmes appelée diagnosticabilité. Un modèle de système est dit diagnosticable s'il permet d'identifier sans ambiguïté la survenue de toute faute modélisée à partir des seules observations disponibles du système jusqu’à un certain délai après l’occurrence de la faute. Une méthode qui consiste à utiliser l'abstraction établie précédemment pour vérifier la diagnosticabilité d'un système hybride est proposée. / Hybrid systems are at the core of cyber-physical systems. Such systems represent the interaction between continuous physical processes generally modelling the environment with discrete decisions from control electronic signaling. The verification of these systems is crucial to ensure safety at the modeling stage. The application of hybrid systems is present in many fields such as transportation, biology and avionics. The thesis studies principals from the qualitative reasoning domain and applies them to the verification of hybrid systems. The accomplished work elaborates methods to abstract a hybrid system using qualitative principles. These methods consist in discretizing the state space to a finite number of states while conserving qualitative characteristics. The computed abstraction allows to prove properties at the level of the concrete hybrid system and presents a representation of the global behavior of the system. A tool developed in C++ computes the abstraction of a given hybrid system. An evaluation of its performance is performed. We are also interested in a particular property called diagnosability. The system is said to be diagnosable when it is capable to identify modeled faults using limited specified observations. A method that uses the computed abstraction to verify diagnosability of a given hybrid system is proposed.

La propulsion des véhicules électriques hybrides parallèles est généralement assurée par un moteur à combustion interne combiné à une machine électrique réversible. Les flux de puissance entre ces deux organes de traction sont déterminés par un algorithme de supervision, qui vise à réduire la consommation de carburant et éventuellement les émissions de certains polluants. Dans la littérature, la théorie de la commande optimale est maintenant reconnue comme étant un cadre puissant pour l’élaboration de lois de commande pour la gestion énergétique des véhicules full-hybrides. Ces stratégies, dénommée « Stratégies de Minimisation de la Consommation Equivalente » (ECMS) sont basée sur le principe du Maximum de Pontryagin. Pour démontrer l’optimalité de l’ECMS, on doit supposer que les limites du système de stockage ne sont pas atteintes durant le cycle de conduite. Il n’est plus possible de faire cette hypothèse lorsque l’on considère les véhicules micro et mild hybrides étudiés dans cette thèse car la variable d’état atteint généralement plusieurs fois les bornes. Des outils mathématiques adaptés à l’étude des problèmes de commande avec contraintes sur l’état sont présentés et appliqués à deux problèmes en lien avec la gestion énergétique. Le premier problème consiste à déterminer le profil optimal de la tension aux bornes d’un pack d’ultra-capacités. Le second problème se concentre sur un système électrique intégrant deux stockeurs. L’accent est mis sur l’étude des conditions d’optimalités valables lorsque les contraintes sur l’état sont actives. Les conséquences de ces conditions pour la commande en ligne sont mises en avant et exploitées afin de concevoir une commande en temps réel. Les performances sont évaluées à l’aide d’un prototype. Une comparaison avec une approche de type ECMS plus classique est également présentée. / Parallel hybrid electric vehicles are generally propelled by an internal combustion engine, which is combined to a reversible electric machine. The power flows between these two traction devices are determined by a supervisory control algorithm, which aims at reducing the fuel consumption and possibly some polluting emissions. In the literature, optimal control theory is now recognized as a powerful framework for the synthesis of energy management strategies for full hybrid vehicles. These strategies are referred to as “Equivalent Consumption Minimization Strategies” (ECMS) and are based on the Pontryagin Maximum Principle. To demonstrate the optimality of ECMS, it must be assumed that the storage system limits are not reached during the drive cycle. This hypothesis cannot be made anymore when considering the micro and mild hybrid vehicles studied in this thesis because the state variable generally reaches several times the boundaries. Some mathematical tools suitable for the study of state constrained optimal control problems are introduced and applied to two energy management problems. The first problem consists in determining the optimal profile of the voltage across a pack of ultra-capacitors. The second problem focuses on a dual storage system. The stress is put on the study of the optimality conditions holding in case of active state constraints. Some consequences of these conditions for the online control are pointed out are exploited for the design of a real-time controller. Its performances are assessed using a demonstrator vehicle. A comparison with a classical ECMS-based approach is also provided.

Les techniques liées au vol en formation et aux opérations de proximité de satellites autonomes font partie des technologies opérationnelles spatiales les plus marquantes et les plus ambitieuses de ces dernières années. En particulier, cela nécessite la complète maitrise des phases de rendez-vous proche et de survol par un satellite actif avec un satellite, une station ou un débris passif. Le développement de systèmes GNC (Guidage Navigation Contrôle) associés performants et sûrs repose sur la connaissance d'un modèle dynamique réalisant un bon compromis entre faible complexité et prise en compte suffisante des principales caractéristiques dynamiques et cinématiques de ce type de systèmes. La première partie de cette thèse est consacrée au développement d'une modélisation unifiée de la dynamique relative couplée entre un satellite coopératif chasseur et un satellite cible non coopérative. En effet, lorsque deux satellites sont proches l'un de l'autre, ils ne peuvent plus être traités comme des masses ponctuelles, car leur forme et leur taille affectent le mouvement relatif entre les points de masse décentralisés, conduisant à un couplage des mouvements de translation et de rotation. Ce développement est abordé de manière progressive: le mouvement de translation relatif non linéaire est décrit sous hypothèses képlériennes dans le repère orbital de la cible ainsi que le modèle linéarisé associé. Ensuite, le modèle non linéaire d'attitude relative est présenté au moyen des paramètres d'Euler-Rodrigues. Enfin, le formalisme des quaternions duaux est utilisé afin d'obtenir le modèle relatif couplé en translation et en attitude. La phase de modélisation du mouvement relatif linéaire de translation a ainsi permis de mettre en évidence certaines transformations de coordonnées conduisant à une caractérisation intéressante des trajectoires périodiques du chasseur et ainsi de proposer un premier type de loi de contrôle de guidage pour la phase d'approche et de survol. Dans l'ensemble de notre travail, nous considérons un chasseur équipé de propulseurs chimiques et l'hypothèse classique des poussées impulsionnelles. Ce type de systèmes dynamiques conciliant dynamique continue et contrôle impulsionnel se définit naturellement comme une classe particulière de systèmes dynamiques hybrides. Plusieurs lois de contrôle hybrides sont alors proposées afin de stabiliser le chasseur sur une trajectoire de référence périodique proche de la cible. Les propriétés de stabilité et de convergence de ces différentes lois sont analysées et de nombreuses simulations numériques montrent les forces et les faiblesses de chaque contrôleur en termes d'indices de performance comme le temps de convergence, la consommation ainsi que des contraintes de sécurité. Dans un second temps, des contraintes opérationnelles supplémentaires (contraintes de visibilité par exemple) sont prises en considération en imposant une direction d'approche rectiligne (glideslope) au chasseur. Cette trajectoire impose au satellite chasseur de suivre une droite dans n'importe quelle direction du repère local reliant l'emplacement courant du chasseur à sa destination finale. Sous l'hypothèse de propulsion impulsionnelle, les résultats existant dans la littérature pour ce type d'approche ont été généralisés aux orbites elliptiques en identifiant une nouvelle formulation du problème comprenant des degrés de liberté utiles qui permettent de minimiser la consommation de carburant tout en contrôlant l'excursion de la trajectoire libre en dehors de la droite de glideslope en la confinant dans un couloir d'approche défini par l'utilisateur. La synthèse des lois de guidage ainsi obtenues repose sur la résolution de problèmes d'optimisation SDP dans le cas général ou linéaire pour les cas plus simples d'approche standards du type V-bar ou R-bar. / The techniques related to formation flying and proximity operations of autonomous satellites belong to the most significant and challenging operational space technologies of the last years. In particular, they require full mastery of the close-range rendezvous and observation phases by an active satellite with a passive satellite, station or debris. The development of efficient and safe associated GNC systems relies on the knowledge of a dynamic model that achieves a good trade-off between low complexity and sufficient inclusion of the main dynamic and kinematic characteristics of this type of systems.The first part of this thesis is devoted to the development of a unified modeling of the relative coupled dynamics between a cooperative chaser satellite and a non-cooperative target satellite. Indeed, when two satellites are close to each other, they can no longer be treated as point masses because their shape and size affect the relative motion between the decentralized points, leading to a translational-attitude motions coupling. This development is addressed in a progressive way: the relative nonlinear translational motion is described under Keplerian assumptions in the target's orbital reference frame, as well as the associated linearized model. Then, the nonlinear relative attitude model is presented by means of the Euler-Rodrigues parameters. Finally, the dual quaternion formalism is used to obtain the relative translational and attitude coupled model. The modeling phase concerning the linear relative translational motion has allowed us to highlight certain coordinates transformations leading to an interesting characterization of the chaser's periodic trajectories and thus, to propose a first type of control law for the close-phase rendezvous and observation phases.All along this work, we consider a chaser satellite equipped with chemical thrusters under the classical hypothesis of impulsive thrusts. This type of dynamic systems gathering continuous dynamics and impulsive control naturally belongs to a particular class of dynamical hybrid systems. Several hybrid control laws are then proposed in order to stabilize the chaser on a periodic reference trajectory close to the target. The stability and convergence properties of these different laws are analysed and several numerical simulations show the strengths and weaknesses of each controller in terms of performance indices such as convergence time, consumption and safety constraints. In a second step, additional operational constraints (line-of-sight constraints for example) are taken into account by imposing a rectilinear (glideslope) direction to the chaser. This trajectory requires the chaser satellite to follow a straight line in any direction of the local reference frame and connecting the current location of the chaser to its final destination. Under the impulsive propulsion assumptions, the results in the literature for this type of approach have been generalized to elliptic orbits by identifying a new formulation of the problem including useful degrees of freedom, which allow minimizing the fuel consumption while controlling the humps of the trajectory outside the glideslope line by enclosing it in a user-defined approach corridor. Guidance laws are therefore synthetized via the solution of an SDP optimisation problem in the general case and via a linear programming when considering standard cases like the V-bar or R-bar approaches.

L’ingénierie de nanomatériaux hybrides semi-conducteurs/plasmoniques représente une technologie durable en raison de l’efficacité parfaite du couplage pour améliorer, rénover et enrichir les propriétés des composants intégrés. Ce couplage a pour résultat la variation des propriétés fonctionnelles du système, grâce auquel les plasmons de surface générés par les métaux peuvent améliorer la séparation des charges, l’absorption de la lumière et la luminescence du semi-conducteur. Ce phénomène permet de fortes interactions avec d'autres éléments photoniques tels que les émetteurs quantiques. Ces fonctionnalités aux multiples facettes découlent de l'interaction synergique exciton-plasmon entre les unités liées. Ainsi, les nanomatériaux hybrides conviennent à diverses applications, notamment : conversion de l'énergie solaire, dispositifs optoélectroniques, diodes électroluminescentes (LED), photocatalyse, détection biomédicale, etc. Les nanostructures Au-ZnO suscitent un intérêt croissant dans ces applications où le couplage de ZnO à de nanoparticules d’or (GNPs) favorise la réponse du système dans le domaine du visible grâce à leur résonance plasmon de surface (SPR). En fonction de la taille de deux nanomatériaux, de la distance qui les sépare et leurs rapports massiques dans un échantillon, les propriétés des particules hybrides peuvent varier. Dans ce contexte, nous nous sommes concentrés sur la construction de nano-cristaux (NCs) de ZnO purs de dimensions contrôlables, puis incorporés dans des solutions de GNPs par une simple voie chimique. Ce travail est divisé en deux parties : la première consiste à effectuer une synthèse de nanocristaux de ZnO (NCs) purs présentant d'excellentes propriétés de photoluminescence dans l’UV. Ceci a été réalisé par une synthèse à basse température, aboutissant à des structures rugueuses et amorphes. La synthèse a été suivie d'un traitement post-thermique afin de cristalliser les nanoparticules obtenues. Une étude structurale et optique poussée a été établie à la suite de la synthèse (SEM, TEM, DRX, photoluminescence). Les activités photocatalytiques des ZnO NCs ont été étudiées en mesurant leur capacité à dégrader le bleu de méthylène (MB). De plus, la relation entre les structures en ZnO, la luminescence et les propriétés photocatalytiques a été explorée en détail. Dans la deuxième étape, les ZnO NCs obtenus ont été couplés ajoutés à des nanoparticules d'or de tailles et fractions volumiques variables. Le rôle effectif des GNPs concernant leur morphologie, leur contenu et leur effet SPR sur la photoémission des nanostructures de ZnO est souligné par le transfert de charge et / ou d'énergie entre les constituants du système hybride. De plus, l’activité photocatalytique du système hybride a été examinée. Comme débouché et perspective de ce travail de thèse, l'intégration des ZnO NC dans une couche nanoporeuse de polymère (PMMA) a été réalisée et caractérisée afin d'obtenir un substrat de large surface à base de ZnO. Les ZnO NCs assemblés dans du PMMA pourraient être des substrats prometteurs en tant que catalyseurs pour la croissance de nanofils de ZnO, de nanomatériaux métalliques et de matériaux hybrides. / Hybrid heterojunctions composed of semiconductors and metallic nanostructures have perceived as a sustainable technology, due to their perfect effectiveness in improving, renovating, and enriching the properties of the integrated components. The cooperative coupling results in the variation of the system’s functional properties, by which the metal-generated surface plasmon resonance can enhance the charge separation, light absorption, as well as luminescence of the semiconductor. This phenomenon enables strong interactions with other photonic elements such as quantum emitters. These multifaceted functionalities arise from the synergic exciton-plasmon interaction between the linked units. Thereby, hybrid systems become suitable for various applications including: solar energy conversion, optoelectronic devices, light-emitting diodes (LED), photocatalysis, biomedical sensing, etc. Au-ZnO nanostructures have received growing interest in these applications, where the deposition of gold nanoparticles (GNPs) promotes the system’s response towards the visible region of the light spectrum through their surface plasmon resonance (SPR). Based on a specific size and purity of ZnO nanostructures, as well as the GNPs, and a definite inter-distance between the nanoparticles, the properties of the ZnO nanostructures are varied, especially the photoemission and photocatalytic ones. In this context, we have focused on the construction of size-tunable ZnO nanocrystals (NCs), then incorporated into GNPs solutions using a simple chemical way. This work is divided into two parts: the first is to perform synthesis of pure ZnO NCs having excellent UV photoluminescence. This was achieved through a low-temperature aqueous synthesis, resulting in rough and amorphous structures. The synthesis was followed by a post-thermal treatment in order to crystallize the obtained particles. The synthesis was followed by structural and optical studies (SEM, TEM, XRD, photoluminescence). The photocatalytic activities of ZnO NCs were studied through tailoring their ability to degrade the methylene blue (MB) dye. In addition, the relationship between ZnO structures, luminescence, and photocatalytic properties was explored in details. In the second step, the obtained ZnO NCs were added to gold nanoparticles of various sizes and volume fractions. The effective role of GNPs concerning their size, amount, and their capping molecule on the photoemission of the ZnO nanostructures was emphasized through the charge and/or energy transfer between the constituents in the hybrid system. In the same way, the systems photocatalytic activities were examined after coupling ZnO to GNPs. Further advancement in the integration of the ZnO NCs into PMMA polymer layers was featured in order to obtain large area template of homogenous ZnO properties. The PMMA-assembled ZnO nanoparticles could be promising substrates as catalysts for growing ZnO nanowires, metallic nanoparticles and hybrid nanomaterials.

Ferroelektroelastische Keramiken besitzen aufgrund ihrer elektromechanischen Koppeleigenschaften Bedeutung in der Sensorik und Aktuatorik. Zur Vorhersage der Bauteileigenschaften und Beurteilung der Bauteilfestigkeit werden Materialmodelle benötigt. In der vorliegenden Arbeit wird ein mehrachsiges, ratenunabhängiges Materialmodell für ferroelektroelastische Keramiken einschließlich der zur effizienten Lösung notwendigen numerischen Methoden ausgearbeitet. Dabei erfolgt die Einbeziehung von Ansätzen aus der makroskopischen phänomenologischen und mikroelektromechanischen phänomenologischen Modellierung. Das resultierende Materialmodell stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Betrachtungsweisen zu vereinen und trägt deshalb die Bezeichnung "hybrid". In einem ersten Beispiel wird gezeigt, dass das hybride Materialmodell die für Barium-Titanat-Keramiken experimentell beobachtete Materialantwort reproduzieren kann. In einem zweiten Beispiel erfolgt die Anwendung auf morphotrope PZT-Keramiken. Dabei wird die in jüngerer Vergangenheit entdeckte monokline Phase zusammen mit der elektronenmikroskopisch beobachteten hierarchischen Struktur von Mikro- und Nanodomänen in vereinfachter Weise berücksichtigt. Auf Grundlage der getroffenen Modellannahmen gelingt es, die experimentell gemessene makroskopische Materialantwort der morphotropen PZT-Keramik PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Deutschland) für ausgewählte Lastfälle mit guter Genauigkeit vorherzusagen. / Ferroelectroelastic ceramics are used in sensor and actuator applications due to their electromechanical coupling properties. In order to predict the behavior of components or to assess their strength, material models are required. In the present work, a multi-axial, rate-independent material model for ferroelectroelastic ceramics is elaborated. This includes the development of efficient numerical solution methods. By incorporating ideas from known macroscopic phenomenological and micro-electromechanical phenomenological models into the novel model, it is attempted to combine the advantages of both approaches. In a first example, it is shown that the hybrid model can reproduce the experimentally observed material response of barium titanate ceramics. In a second example, the model is applied to morphotropic PZT ceramics. In this context, the recently discovered monoclinic phase as well as the hierarchical structure of micro-domains and nano-domains observed by means of electron microscopy are taken into account in a simplified way. Based on the assumptions made, the experimentally measured material response of the morphotropic PZT ceramic PIC151 (PI Ceramic GmbH, Lederhose, Germany) is predicted with reasonable accuracy for selected load cases.

Au cours des dernières années, de nombreuses recherches se sont concentrées sur les batteries afin de satisfaire leur demande croissante pour de nombreuses applications. Les matériaux hybrides métal/carbone ont fait l'objet d'une grande attention en tant qu'anodes pour les batteries ioniques Li et Na en raison de leur capacité plus élevée par rapport aux anodes graphite/carbone dur. Cependant, l'expansion de la taille des NPs métalliques et la forte capacité irréversible pendant le 1ercycle sont les principaux inconvénients à surmonter et représentent l'objectif principal de cette thèse. Trois types d'hybrides ont été étudiés (C@Sn et C@SiO2pour les LIBs, et C@Sb pour les NIBs) et des voies de synthèse originales ont été développées qui ont permis d'obtenir des matériaux avec des NPs petites et homogènes distribuées dans le réseau de carbone. Plusieurs paramètres expérimentaux ont été optimisés, conduisant à une vaste palette de matériaux avec des porosités, des structures et des granulométries différentes. La température et la charge de particules se sont avérées être les principaux paramètres affectant la porosité et la taille des particules ainsi que les performances électrochimiques. L'augmentation de la température et de la charge de NPs ont conduit à une porosité plus faible qui a permis de diminuer la capacité irréversible et d'améliorer la capacité réversible. En même temps, le cycle à long terme a été affecté négativement en raison de la formation de particules non confinées et agglomérées. Un compromis entre la charge de carbone/porosité/structure a été déterminé pour chaque système et les mécanismes électrochimiques traités sur la base d'analyses post-mortem. / During the last years a lot of research has been focused on batteries to satisfy their increasing demand for a broad application. Metal-based/carbon hybrid materials received great attention as anodes for Li and Na ion batteries due to their higher capacity compared to graphite/hard carbons anodes. However, the metal particle size expansion and the high irreversible capacity during cycling are the main inconvenients to be overcome and represent the main goal of this thesis. Three type of hybrids were studied(C@Sn and C@SiO2for LIBs, and C@Sb for NIBs) and original synthesis pathways were developed which allowed to obtain materials with small and homogeneous distributed particles in the carbon network. Several experimental parameters were tuned leading to a large pallet of materials exhibiting different porosities, structures and particle size/distribution. The temperature and the particle loading were found to be the main parameters affecting the porosity and the particle size and further the electrochemical performances. The increase of both temperature and particle loading lead to smaller porosity which successfully allowed to diminish the irreversible capacity and to improve the reversible capacity. In the same time, the long-term cycling was negatively affected due to the formation of un-confined and agglomerated particles. The extent of particle agglomeration and consequently of capacity fading was found to depend on the type of metal and synthesis route. A compromise between the carbon loading/porosity/structure was determined for each system and the electrochemical mechanisms addressed based on post-mortem analyses.