Fabrication of scaffold is the key for bone tissue engineering, which is commonly regarded as the most potential route for repairing bone defects. Previously, porous ceramic scaffolds were fabricated through a variety of traditional methods, like moulding and casting, but most of them cannot produce customised tissue-engineered scaffolds. Therefore, 3D printing methods are gaining more attention and are currently being explored and developed to make scaffolds with acceptable biocompatibility. With the considerable development of bone tissue engineering, the bioactivity of scaffolds is becoming increasingly demanded, which leads to new methods and techniques to produce highly biomimetic bone scaffolds. In this study, a new fabrication process to optimise the structures of scaffolds was developed, and intensive researches were performed on the porous scaffolds to confirm their advantages in biological performance. Specifically, by combination of motor assisted extrusion deposition and gas-foaming (graphite as the porogen) technique, hierarchically porous scaffolds with improved microstructures, i.e. multi-scaled pores from nanometre to millimetre (nm-μm-mm), was successfully developed. In this thesis, the optimal content of porogen for scaffolds was studied in terms of compressive strength and in-rod porosities. The most concerned physicochemical properties of scaffolds were carefully examined and the results revealed that such scaffolds exhibit excellent physicochemical properties owing to hierarchically porous structures. Due to additional in-rod micropores and increased specific surface area, along with better hydrophilicity, hierarchically porous scaffolds exerted complete superiority in biological activity, including promoting cellular proliferation of osteoblasts, adhesion and spreading status, as well as the ability to induce cellular differentiation.

L’alumine est un support important en catalyse hétérogène. Le contrôle de ses propriétés physiques et texturales permet d’en améliorer les performances comme support pour des applications en catalyse. Les catalyseurs à base de cobalt sont connus pour présenter d’excellentes performances pour la réaction de reformage de l’éthanol (RRE) du fait de leur grande affinité à cliver les liaisons C-H et C-C.De nombreuses études ont visé à corréler les propriétés de l’alumine avec celles des catalyseurs. L’alumine présente une chimie de surface plutôt complexe qui peut être contrôlée par le mode de préparation. Dans ce travail,des alumines possédant des méso- et macropores ont été obtenues par voie sol-gel dans un mode de préparation « one-pot » accompagnée par une séparation de phases. Dans cette stratégie intégrative, les deux procédés,gélification et séparation de phases, surviennent spontanément dans les systèmes contenant un inducteur de séparation de phase.Les différentes alumines ont été synthétisées à partir d’isopropoxyde oude chlorure d’aluminium et de polyethylène oxyde ou polypropylène oxydeutilisés comme inducteur de séparation de phases. Le choix approprié des compositions des réactifs permet le contrôle de la taille et volume des pores. La formation des macropores résulte du processus de séparation de phase après décomposition par calcination de l’inducteur alors que l’espace entre particules formant le squelette du xerogel constitue la structure mésoporeuse.Les différentes alumines poreuses ainsi préparées et une alumine commerciale ont été utilisées comme supports de catalyseurs de cobalt par imprégnation par voie humide. Les précurseurs oxydes du catalyseur obtenu après calcination sont composés de phases de type Co ₃ O ₄ et CoAl₂O ₄ , cette dernière étant en quantité plus importante dans les alumines synthétiques.Comme les alumines sol-gel sont caractérisées par une plus grande proportion d’aluminium en site octaédrique et de groupement hydroxyles de surface que l’alumine commerciale, nous avons proposé que ces caractéristiques facilitent la migration du Cobalt dans le réseau alumine et explique la formation plus importante de phase de type CoAl₂O ₄ .Les catalyseurs ont été caractérisés pendant l’activation et en conditions réelles de fonctionnement RRE par EXAFS rapide pour suivre l’évolution de l’ordre local du cobalt et par spectroscopie Raman et spectrométrie de masse résolues dans le temps pour l’analyse des produits de réaction. Si l’espèce active est indiscutablement Co0, nous avons montré que les performances catalytiques dépendent aussi du rapport Co ² ⁺ /Co ⁰ obtenu après activation, dans le sens où de faibles rapports Co ² ⁺ /Co ⁰ ne permettront pas de nettoyer la surface du catalyseur par oxydation du coke formé lorsque la réaction de reformage de l’éthanol opère. Une conclusion importante de ce travail est la mise en évidence du rôle joué par l’oxyde cobalt (CoO) dans la stabilité du catalyseur à travers la promotion de l’oxydation des espèces carbonées déposées en surface. Ainsi le contrôle du rapport Co ² ⁺ /Co ⁰ apparaît comme un élément capital pour la conception de catalyseurs performants à base de cobalt pour la réaction de reformage de l’éthanol, le choix du support étant essentiel / Alumina is an important support for heterogeneous catalysts. Thematching of appropriate alumina physical properties and controlled texturalproperties can improve its performance as support in catalysis applications.Cobalt based catalysts have been reported to have a good ethanol steamreforming (ESR) performance due to their high activity for the cleavage of C-Hand C-C bonds.Many studies have been conducted about the effects of aluminaproperties on the cobalt catalysts properties. Alumina exhibits a rather complexsurface chemistry which can be controlled by the preparation procedure. In thiswork alumina samples with macro and mesoporous structure were obtainedusing the one-pot sol-gel synthesis accompanied by phase separation. In thisintegrative strategy both processes, gelation and phase separation,spontaneously occur in system containing the presence of the phase separationinducer.The different aluminas were produced by using as aluminum reactants,aluminum isopropoxide and chloride and PolyEthylene Oxide or PolyPropyleneOXide as phase separation inducer. Appropriate choice of the startingcomposition allows the control the pore size and volume. Macroporous areformed as a result of phase separation after burning the phase separationinducer, while voids between particles of the xerogel skeletons form amesoporous structures.The different alumina porous alumina and commercial alumina wereused as supports for preparing by wetness impregnation cobalt-based catalyst.The oxidic catalyst precursors obtained after calcination are composed of Co ₃ O ₄ and CoAl₂O ₄ -like phases, the latter being in higher proportions in the sol-gelalumina than in the commercial one. As the sol-gel alumina presents a largeramount of octahedral AlVI sites and surface hydroxyl groups than thecommercial alumina, it was assumed that these features can facilitate themigration of Co ions into the alumina network leading to formation of thegreatest amount of CoAl₂O ₄ .The catalysts were characterized under realistic activation and reactionconditions by the combination of Quick-XAS (X-ray Absorption Spectroscopy)for monitoring the change of the local order around Co with time-resolvedRaman and Mass spectroscopy for monitoring reaction products. If the Co(0)species is undoubtedly the active species for ESR, the catalytic performancehas been clearly shown to be affected by the Co ² ⁺ /Co ⁰ ratio obtained afteractivation, getting lower Co ² ⁺ /Co ⁰ ratios will not allow to clean the surface of thecatalyst by oxidation of C* as ESR is running. As an important conclusion of thework reported herein, we have evidenced that the cobalt oxide (CoO) plays akey role in the stability over time of the catalyst through oxidation of adsorbedand reactive carbon atoms. Then the control of the Co ²⁺ /Co ⁰ ratio appears to beone of the key issues in the design of efficient cobalt alumina-supported ethanolsteam reforming catalysts and the choice of the support is essential forcontrolling this ratio of active cobalt species.

Ce travail porte sur la préparation de matériaux silicatés à porosité hiérarchisée pour l'encapsulation de molécules d'intérêt dans le domaine de la pharmacie et en tant que biocatalyseur. Afin d’atteindre cet objectif, les nano-émulsions sont choisies comme empreinte pour créer les macropores du matériau en raison de la taille homogène et réduite des gouttelettes de l’émulsion (inférieure à 100 nm). Pour cela le système Remcopal 4/décane/eau est investi en déterminant les conditions les plus optimales de formation de nano-émulsion, via les méthodes d'inversion de phases. L’ajout de micelles aux nano-émulsions ne déstabilise pas les émulsions et permet la formation d’un réseau de mésopores organisés selon une symétrie hexagonale. Les matériaux hybrides issus des matériaux poreux contenant encore la phase organique sont dopés par le ketoprofène en vue d’étudier la libération de ce dernier. Celle-ci se révèle sensible au pH. De plus, cette étude de la libération du kétoprofène à partir du matériau méso-macroporeux indique qu'elle est assistée par les micelles qui sont solubilisées dans la solution réceptrice. Le deuxième objectif de ce travail est d'utiliser ces matériaux poreux en tant que biocatalyseur pour la synthèse de biodiesel à partir d'huile de colza. Pour cette application, il est nécessaire que les matériaux résistent à l’immersion dans des milieux aqueux. L’étude de la stabilité hydrothermale a montré que le matériau calciné présente la meilleure stabilité dans l’eau bouillante. Par ailleurs, le matériau peut résister jusqu’à 550°C, la structure ne subissant que des dégradations mineures. Nous avons également utilisé un matériau silicaté à double mésoporosité préparé à partir de micelles fluorées et hydrogénées coexistant dans une même solution. L'évaluation thermique et hydrothermale indique que ces matériaux présentent deux cinétiques de déstructuration qui correspondent à chacune des deux matrices ayant deux tailles de pores différents. L’immobilisation de la lipase Mml est étudiée sur le matériau méso-macroporeux calciné et sur le matériau à double mésoporosité. Les isothermes d'adsorption ont permis de mettre en évidence que le matériau à double mésoporosité peut encapsuler plus d’enzymes que son homologue méso-macroporeux. L’activité enzymatique, au regard des réactions de transestérification, est de façon inverse plus importante avec le matériau méso-macroporeux calciné / This work concerns the preparation of silica materials with hierarchical porosity for the encapsulation of molecules of interest in the field of drug delivery and as biocatalysts. In order to reach this goal, the nano-emulsions were chosen as templates for the macropores of the material because of the homogeneous and small size of the emulsion droplets (less than 100 nm). The system Remcopal 4/decane/water was investigated and the optimal conditions for which nano-emulsion is formed via the phase inversion methods were determined. Adding micelles to the nano-emulsions does not affect its stability and can form a network of mesopores organized with a hexagonal symmetry. Hybrid materials which are hierarchically porous materials where the organic phase is still present, were doped with ketoprofen to study its release, which proved to be pH sensitive. Moreover, the study of the release of ketoprofen from the meso-macroporous material indicates that it is assisted by the micelles which are solubilized in the release medium. The second objective of this work was to use these porous materials as a biocatalyst for biodiesel synthesis from colza oil. For this application it was necessary that the materials are resistant to immersion in aqueous media. The study of the hydrothermal stability shows that the calcined material has the best stability in boiling water. Moreover, the material can withstand up to 550 ° C, the structure undergoes only minor damages. We also used a dual-mesoporous silica material prepared from hydrogenated and fluorinated micelles coexisting in the same solution. Thermal and hydrothermal evaluation indicates that these materials have two different decay kinetics corresponding to each of the two matrices having different pore sizes. The immobilization of lipase Mml was studied on the meso-macroporous calcined material and the dual-mesoporous material. The adsorption isotherms were used to demonstrate that the dual-mesoporous material can encapsulate more enzymes than its meso-macroporous counterpart. On the other hand, the enzyme activity, evaluated by the transesterification reactions, is more important for the calcined meso-macroporous material

Différents matériaux carbonés nanostructurés ont été synthétisés et mis en oeuvre comme matériaux supercapacitifs à double couche électrochimique (EDLC) ou comme substrats de matériaux pseudocapacitifs avec pour objectif d'augmenter leur densité de puissance. Nous avons ainsi développé une méthode de synthèse simple et originale de carbures de silicium (SiC) qui procède par une réduction topotactique d'un composite silice/carbon par le magnésium. Du fait de la température de synthèse inférieure à 800°C, SiC résultant conserve la morphologie et/ou la structure poreuse du précurseur composite. Par cette approche, nous pouvons moduler la structure poreuse ordonnée de SiC à façon, développer des porosités hiérarchiques méso/macro, préparer des feuillets ou des fibres de SiC. Les différentes formes de SiC ont été converties par chloration en autant de carbones, opération introduisant une microporosité supplémentaire. En électrolyte organique, ces carbones à porosité hierarchique combinent à la fois des capacités importantes issues de la microporosité mais également des performances inégalées en terme de puissance du fait de la méso ou macro-porosité associée. Dans une approche différente, des feuillet de graphène ont été décorés par voie sol-gel non-hydrolytique (micro-onde en milieu alcool benzilique) par des nanoparticules de FeOx. Le composite FeOx/graphene résultant combine simultanément les comportements EDLC et pseudocapacitif du graphène et de FeOx. Du fait de sa structure particulière, le composite FeOx/graphene conserve les performances en puissance du graphène auxquelles s'ajoutent celles d'énergie de FeOx. Nous avons également décoré des nanofibres de carbone avec des carbones mésoporeux. Après dépôt de MnO2 birnessite, les composites gagnent à la fois en capacité et en puissance en particulier avec des carbones présentant des pores supérieurs à 10nm. / Various nanostructured carbon materials were synthesized and further served as active materials of electrical double layer capacitor or substrates of pseudocapacitive materials in order to improve power capability of corresponding supercapacitor. On the one hand, a simple synthesis of porous silicon carbides (SiCs) was achieved by performing a topotactic thermal reduction by magnesium (Mg) of a silica/ carbon composite. Thanks to the low synthetic temperature (below 800 ºC), the SiCs well preserved the pristine skeletons of their silica/carbon precursors. Successively, the SiCs with diverse porous structures from their silica/carbon precursor emerged, e.g. ordered tunable mesoporous SiCs, 3D-hierarchical meso and macroporous SiC, SiC nanosheet and SiC nanofiber. Furthermore, the porous SiCs derived from magnesio-thermal reduction were reduced to hierarchical carbons with newborn narrow distributed microporosity by chlorination. In an organic electrolyte, the hierarchical carbon combines the high specific capacitance from narrow distributed microporosity and the outstanding rate capability from ordered-arranged meso or macroporosity that make it promising for high power and energy density capacitor. On the other hand, a “benzyl alcohol route” has been used to decorate RGO nanosheets with FeOx nanoparticles. The resulting FeOx/ RGO composite, due to their hybrid nanostructure, combine both EDLC capacitive and pseudocapacitive bahaviors of RGO and FeOx, respectively. Thanks to the laminated RGO and nano FeOx particles film, the resulting composite gains the same power capability as RGO and a higher energy density than raw FeOx. Furthermore, mesoporous carbon was introduced to adorn the CNF surface through self-assemble of resol, carbon nanofiber(CNF) and Pluronic@127. After further coating with birnessite-MnO2, the composite electrode gains extra capacitance and power improvement in presence of superficially coating mesoporous carbon with pore size larger than 10nm.

L’intensification des procédés de décontamination des eaux et de purification des gaz (biogaz ou gaz naturel) est un des enjeux primordiaux pour les années à venir. Pour arriver à relever ce défi, il est nécessaire de développer des adsorbants innovants qui vont améliorer les capacités d’adsorption et les cinétiques d’adsorption et qui peuvent être utilisés en flux continu. Le travail sur la mise en forme des adsorbants, sans ajout de liants, pour augmenter les capacités d’adsorption et le contrôle de leur porosité à plusieurs échelles, pour améliorer la diffusion des ions et des molécules est primordial. La zéolithe FAU-X est utilisée industriellement dans de nombreuses applications comme le piégeage du CO2, la purification des biogaz et du gaz naturel, la séparation des gaz de l’air, la séparation des xylènes et pourrait se révéler aussi très intéressante pour le piégeage du Cs radioactif des effluents nucléaires de part sa grande sélectivité. La FAU-X est utilisée dans des procédés en continu sous forme de particules extrudées de 1 à 3 mm contenant 20-30 wt% de liant argile. Des travaux actuels visent à diminuer la quantité de liant dans les particules et à développer des mises en forme monolithiques contenant des macropores, pour faciliter le transport de matière en utilisant par exemple le « freeze-casting » ou l’impression 3D. Cependant, l’ajout de liant est toujours nécessaire.Une nouvelle approche développée dans cette étude est la mise en forme sans liant de la FAU-X en particules de 1 mm et surtout sous forme monolithique avec une macroporosité contrôlée, homogène et interconnectée. Ceci permet de maximiser le transport de matière et ainsi conduire à une meilleure intensification des procédés et une manipulation plus aisée, notamment dans le cas du traitement d’effluents nucléaires. Ces nouvelles synthèses et mises en forme de la FAU-X utilisent le concept de la transformation pseudomorphique de monolithes silice-alumine, obtenus par alumination de monolithes de silice issus d’un procédé sol-gel combiné à une séparation de phase particulière, la décomposition spinodale en présence de polymères (polyéthylène oxyde). La maîtrise de toutes les étapes de synthèse et de la composition du milieu réactionnel a permis d’obtenir des monolithes de FAU-X pure dont le squelette est formé par une agrégation de nanocristaux de FAU-X. Les monolithes FAU-X présentent ainsi trois types de porosités, micro-/ méso et macroporosité, idéales pour améliorer le transport de matière. Les mésopores résultent de l’espace entre les nanocristaux.Ces monolithes FAU-X nanocristaux ont été testés en flux continu pour le piégeage du Cs contenu dans de l’eau naturelle (eau d’Evian) contenant de multiples cations en compétition. Des résultats remarquables ont été obtenus, avec des courbes de percée idéales, témoignant d’une excellente capacité d’adsorption en condition dynamique. L’efficacité des monolithes FAU-X nanocristaux est comparable au matériau de référence, des particules de silice contenant l’adsorbant le plus sélectif pour le Cs, le Bleu de Prusse, avec en plus l’avantage d’être sous forme monolithique, donc plus aisé à manipuler. Des tests préliminaires en statique ont été effectués pour l’adsorption du CO2 et révèlent des capacités d’adsorption identiques à des FAU-X pures. Les tests en flux continu restent à faire pour évaluer l’adsorption en régime dynamique.Les monolithes FAU-X nanocristaux de cette étude présentent les caractéristiques nécessaires pour être utilisés en intensification des procédés. / The process intensification of water decontamination and gas purification (biogas or natural gas) is one of the key issues for the future. To meet this challenge, it’s necessary to develop innovative adsorbents that will improve the adsorption capacity and adsorption kinetics and can be used in continuous flow. Working on adsorbents shaping without addition of binders to increase their adsorption capacities and on the control of their porosity at several scales (micro-/meso-/macroporosity) to improve ions and molecules diffusion is essential. The FAU-X zeolite is used industrially in many applications such as CO2 capture, biogas and natural gas purification, air separation, xylenes separation and could also be very interesting for trapping radioactive Cs of nuclear wastewater because of its high selectivity. FAU-X is used in continuous processes in the form of extruded particles of 1 to 3 mm containing 20-30 wt% of clay binder. Current works aim to reduce the amount of binder in the particles and develop monolithic shaping containing macropores to facilitate the mass transfer using for example the "freeze-casting" or the 3D printing methods. However, the addition of binders is always necessary.A new approach developed in this study is the binderless shaping of FAU-X into particles (1 mm) and especially into monoliths with a well-controlled homogeneous and interconnected macroporosity. This particular macroporosity was shown to maximize the mass transfer in various applications and thus lead to high process intensifications and an easier handling, especially in the case of the treatment of nuclear wastewater. These new syntheses and shaping of FAU-X use the concept of pseudomorphic transformation of silica-alumina monoliths, obtained by alumination of silica monoliths synthesized from a sol-gel process combined with a particular phase separation, the spinodal decomposition in the presence of polymers (polyethylene oxide). The control of all synthesis steps and the composition of the reaction medium has led to monoliths of pure FAU-X phase, whose skeleton is formed by an aggregation of FAU-X nanocrystals. FAU-X monoliths have three types of porosities, micro-/ meso- and macroporosity, suitable for improving the mass transfer. Mesopores result from the space between nanocrystals.These FAU-X nanocrystals monoliths were tested in continuous flow for the trapping of Cs contained in natural water (Evian water) containing several competing cations. Remarkable results have been obtained, with ideal breakthrough curves, exhibiting excellent adsorption capacity in dynamic conditions. The efficiency of FAU-X nanocrystals monoliths is comparable to the reference material, which is composed of Prussian Blue nanoparticles (the most selective adsorbent for Cs) immobilized in silica particles, with the added advantage of being in monolithic shape and so easier to handle. Preliminary tests of CO2 adsorption in FAU-X nanocrystals monoliths were carried out in static conditions and reveal that the adsorption capacity of the monoliths is equivalent to pure FAU-X crystals. Continuous flow tests remain to be done to evaluate adsorption capacities in dynamic mode.The FAU-X nanocrystals monoliths developed in this study have the characteristics necessary to be used in process intensification for various applications.

<p dir="ltr">Low frequency noise has been a challenge to noise control strategies for a long time due to its relatively long wavelength compared with practical thicknesses of acoustical treatments. A series of studies have drawn increasing attention to the acoustical behavior of porous granular materials such as activated carbon due to their good performance at low frequency. To better characterize this type of material, a 1-dimensional poro-elastic model is introduced in this work, which accounts for both the inner particle structure and the elasticity of the granule stack, allowing a better match of resonance features between the model prediction and measurement results. This model was then extended to a 2-dimensional finite difference (2DFD) approach under an axisymmetric assumption, with the depth-dependent stiffness of the granule stack considered. The shape of the computational domain of this 2DFD approach is close to the realistic geometry of the cylindrical standing wave tube, and it provides flexibility in assigning different types of boundary conditions at the circumferential wall of the container. The model is validated by comparing the simulation output and measurements of the acoustic response of porous granular materials in a cylindrical standing wave tube with rigid backing. The comparison demonstrates that the proposed 2DFD model is able to closely match the test results even down to detailed features, thus providing a means of accurate acoustic characterization of granular materials. The application scenarios of porous granular materials are also discussed in this work. A hybrid model based on the classical Johnson-Champoux-Allard (JCA) model and the rigid model describing the multi-level porosity within the granules is proposed to predict the performance of composite materials made of non-woven fiber matrices and porous granular materials. The performance of other practical applications such as that of a sound absorber consisting of a membrane and a cavity partially filled with the porous granular material is also discussed. These applications are shown to be promising strategies of addressing the low frequency noise problems.</p>

The aim of this work was the generation of carbon materials with high surface area, exhibiting a hierarchical pore system in the macro- and mesorange. Such a pore system facilitates the transport through the material and enhances the interaction with the carbon matrix (macropores are pores with diameters > 50 nm, mesopores between 2 – 50 nm). Thereto, new strategies for the synthesis of novel carbon materials with designed porosity were developed that are in particular useful for the storage of energy. Besides the porosity, it is the graphene structure itself that determines the properties of a carbon material. Non-graphitic carbon materials usually exhibit a quite large degree of disorder with many defects in the graphene structure, and thus exhibit inherent microporosity (d < 2nm). These pores are traps and oppose reversible interaction with the carbon matrix. Furthermore they reduce the stability and conductivity of the carbon material, which was undesired for the proposed applications. As one part of this work, the graphene structures of different non-graphitic carbon materials were studied in detail using a novel wide-angle x-ray scattering model that allowed precise information about the nature of the carbon building units (graphene stacks). Different carbon precursors were evaluated regarding their potential use for the synthesis shown in this work, whereas mesophase pitch proved to be advantageous when a less disordered carbon microstructure is desired. By using mesophase pitch as carbon precursor, two templating strategies were developed using the nanocasting approach. The synthesized (monolithic) materials combined for the first time the advantages of a hierarchical interconnected pore system in the macro- and mesorange with the advantages of mesophase pitch as carbon precursor. In the first case, hierarchical macro- / mesoporous carbon monoliths were synthesized by replication of hard (silica) templates. Thus, a suitable synthesis procedure was developed that allowed the infiltration of the template with the hardly soluble carbon precursor. In the second case, hierarchical macro- / mesoporous carbon materials were synthesized by a novel soft-templating technique, taking advantage of the phase separation (spinodal decomposition) between mesophase pitch and polystyrene. The synthesis also allowed the generation of monolithic samples and incorporation of functional nanoparticles into the material. The synthesized materials showed excellent properties as an anode material in lithium batteries and support material for supercapacitors. / Kohlenstoffmaterialien finden aufgrund ihrer Vielseitigkeit heute in den unterschiedlichsten Bereichen des täglichen Lebens ihren Einsatz. Bekannte Beispiele sind Kohlenstofffasern in Verbundwerkstoffen, Graphit als trockenes Schmiermittel, oder Aktivkohlen in Filtersystemen. Ferner wird Graphit als Elektrodenmaterial auch in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Wegen knapper werdender Ressourcen von Öl und Gas wurde in den letzten Jahren verstärkt an der Entwicklung neuer Materialien für die Speicherung von Wasserstoff und elektrischer Energie gearbeitet. Die Nanotechnologie ist dabei auch für neue Kohlenstoffmaterialien zukunftsweisend, denn sie stellt weitere Anwendungsmöglichkeiten in Aussicht. In dieser Arbeit wurden hierzu mittels des sogenannten Nanocastings neue Kohlenstoffmaterialien für Energieanwendungen, insbesondere zur Speicherung von elektrischer Energie entwickelt. Die Eigenschaften eines Kohlenstoffmaterials beruhen im Wesentlichen auf der Struktur des Kohlenstoffs im molekularen Bereich. Die in dieser Arbeit hergestellten Materialen bestehen aus nichtgraphitischem Kohlenstoff und wurden im ersten Teil der Arbeit mit den Methoden der Röntgenstreuung genau untersucht. Eine speziell für diese Art von Kohlenstoffen kürzlich entwickelte Modellfunktion wurde dazu an die experimentellen Streubilder angepasst. Das verwendete Modell basiert dabei auf den wesentlichen Strukturmerkmalen von nichtgraphitischem Kohlenstoff und ermöglichte von daher eine detaillierte Beschreibung der Materialien. Im Gegensatz zu den meisten nichtgraphitischen Kohlenstoffen konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von Mesophasen-Pech als Vorläufersubstanz (Precursor) ein Material mit vergleichsweise geringem Grad an Unordnung ermöglicht. Solch ein Material erlaubt eine ähnlich reversible Einlagerung von Lithium-Ionen wie Graphit, weist aber gleichzeitig wegen des nichtgraphitischen Charakters eine deutlich höhere Speicherfähigkeit auf. Zur Beschreibung der Porosität eines Materials verwendet man die Begriffe der Makro-, Meso-, und Mikroporen. Die Aktivität eines Materials kann durch die Erhöhung der Oberfläche noch erheblich gesteigert werden. Hohe Oberflächen können insbesondere durch die Schaffung von Poren im Nanometerbereich erzielt werden. Um die Zugänglichkeit zu diesen Poren zu steigern, weist ein Material idealerweise zusätzlich ein kontinuierliches makroporöses Transportsystem (Porendurchmesser d > 50 nm) auf. Solch eine Art von Porosität über mehrere Größenordnungen wird allgemein als „hierarchische Porosität“ bezeichnet. Für elektrochemische Anwendungen sind sogenannte Mesoporen (d = 2 – 50 nm) relevant, da noch kleinere Poren (Mikroporen, d < 2 nm) z.B. zu einer irreversiblen Bindung von Lithium- Ionen führen können. Wird Mesophasen-Pech als Kohlenstoffprekursor verwendet, kann die Entstehung dieser Mikroporen verhindert werden. Im zweiten und dritten Teil der Arbeit konnte mit den Methoden des „Nanocastings“ zum ersten Mal die spezielle Struktur des Mesophasen-Pech basierenden Kohlenstoffmaterials mit den Vorteilen einer hierarchischen (makro- / meso-) Porosität kombiniert werden. Im ersten Syntheseverfahren wurde dazu ein sogenanntes „hartes Templat“ mit entsprechender Porosität aus Siliziumdioxid repliziert. Aufgrund der hohen Viskosität des Pechs und der geringen Löslichkeit wurde dazu ein Verfahren entwickelt, das die Infiltration des Templates auch auf der Nanometerebene ermöglicht. Das Material konnte in Form größerer Körper (Monolithen) hergestellt werden, die im Vergleich zu Pulvern eine bessere technische Verwendung ermöglichen. Im zweiten Syntheseverfahren konnte die Herstellung eines hierarchisch makro- / mesoporösen Kohlenstoffmaterials erstmals mittels eines weichen Templates (organisches Polymer) erreicht werden. Die einfache Entfernung von weichen Templaten durch eine geeignete Temperaturbehandlung, macht dieses Verfahren im Vergleich zu hart templatierten Materialien kostengünstiger und stellt eine technische Umsetzung in Aussicht. Desweiteren erlaubt das Syntheseverfahren die Herstellung von monolithischen Körpern und die Einbindung funktionaler Nanopartikel. Die hergestellten Materialien zeigen exzellente Eigenschaften als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien und als Trägermaterial für Superkondensatoren.

Cette thèse, par une étude combinant modélisation et expériences, s'attache à comprendre l'interdépendance entre porosité, transport et adsorption dans les matériaux poreux hiérarchiques. Le transport et l'adsorption sont simulés dans les matériaux poreux à l'aide d'un modèle de Lattice Boltzmann étendu pour prendre en compte l'adsorption. Ce modèle mésoscopique permet de simuler le comportement d’un fluide présent au sein des pores du matériau ainsi que d'espèces en solution. La synthèse des matériaux poreux hiérarchiques par ice-templating et la caractérisation de la géométrie des échantillons par tomographie aux rayons X a permis de réaliser des simulations sur des géométries réelles. La comparaison des résultats de simulation et des résultats expérimentaux a prouvé la capacité du modèle à reproduire le comportement du fluide et des espèces dans le matériau. Grâce au modèle employé, l'interdépendance entre transport et adsorption a pu être mise en évidence, montrant notamment que le flux de fluide pouvait avoir une influence sur la densité adsorbée. Une étude sur l'influence de la géométrie et de la rugosité sur le couplage entre transport et adsorption a été menée sur des géométries bien caractérisées. Enfin, la modification du modèle de Lattice-Boltzmann pour rendre compte de l'effet d'un pic de traceurs a été développé. Cette modification permet notamment d'observer la cinétique hors régime stationnaire des traceurs dans le matériau et de rendre compte de l'effet du flux sur l'accessibilité des sites d'adsorption. / The aim of this work concerns the interplay between porosity, transport and adsorption in hierarchical porous materials. This work combine a simulation and an experimental approach. Transport and adsorption are simulated with a Lattice-Boltzmann model recently extended to take adsorption into account. This mesoscopic model allows to compute fluid and solute behavior in porous materials. The synthesis of hierarchical porous materials using ice-templating and the characterization of materials geometry with X-ray tomography allowed to compute simulations on real materials. The comparison between experimental and simualtion results have proved the efficency of the model to model fluid and species behavior in the materials. Using this model, the interplay between transport and adsorption have been studied highlighting an effect of the fluid flow on adsorbed density. The effect of roughness and material geometry have also been studied. Finally the modification of the modelallows now to simulate the kinematic of a pulse of species. This modification gives a tool to perform simulation in non-steady state flow and evaluate the adsorption site accessibility regarding to the flow field.

Ces dernières années, la photocatalyse hétérogène a connu un essor important comme technique de dépollution de l'eau et de l'air. L'application de ce procédé sur des substrats organiques souples, comme les textiles, présente de nombreux challenges. Les revêtements doivent être photoactifs sans pour autant dégrader les supports. Avec l'utilisation du TiO2 comme photocatalyseur, une bonne fixation des particules est primordiale pour éviter tout relargage dans l'environnement. La structuration des matériaux est également un point important. La porosité des films favorise les interactions polluants/photocatalyseurs mais doit être obtenue à faibles températures pour ne pas décomposer les textiles. Pour se faire, nous avons choisi de synthétiser des revêtements composites en insérant des particules commerciales de TiO2 dans une matrice hybride silicatée, celle-ci servant à la fois de liant au substrat et de couche protectrice. La matrice est préparée par le procédé sol-gel qui permet d'insérer aisément des groupements organiques au réseau silicaté. Ces modifications permettent d'apporter de la flexibilité aux revêtements afin de conserver les propriétés mécaniques des supports. Notre étude s'est consacrée à l'élaboration et à l'optimisation de ces systèmes. Une première partie a été réalisée sur des supports inorganiques afin de définir des comportements modèles, avant de transférer la technologie sur les textiles. L'efficacité des revêtements a été évaluée en phase aqueuse et gazeuse par la dégradation de l'acide formique, du bleu de méthylène et du toluène. La stabilité des supports et des films par rapport aux UV a été suivie par plusieurs techniques analytiques (MEB, XPS, ToF-SIMS, RMN, angle de contact, IR, colorimétrie) en accélérant le photovieillissement des matériaux. Diverses caractérisations mécaniques (abrasion, arrachage, rigidité) sont venues compléter notre étude / Heterogeneous photocatalysis was widely developed these last years for water and air depollution. Applications on organic and flexible substrates, like textiles, induce many challenges. The coating must be photoactive without damaging the media. With the use of TiO2 as photocatalyst, a good fixation of the particles is essential to prevent their release into the environment. The material structuration is also an important point. Film porosity promotes pollutants/photocatalysts interactions but must be obtained at low temperatures to avoid textiles degradation. In this context, we chose to synthesize composite coatings inserting commercial TiO2 particles into a silica matrix used as binder and protective layer. The matrix is prepared by the sol-gel process that allows adding organic groups into the silicate network. Such modification of the structure provides flexibility to maintain the mechanical properties of the supports. Our study is devoted to the development and optimization of these systems. The first part was conducted on inorganic substrates to define models behavior before transferring the technology on textiles. Film efficiency was evaluated in gas and aqueous phase degrading formic acid, methylene blue and toluene. The UV stability of the media and the film was followed by several analytical techniques (SEM, XPS, ToF-SIMS, NMR, contact angle, IR, colorimetry) accelerating the photoaging of the materials. Various mechanical characterizations came to complete our study

Preparation of hierarchical zeolites for fine chemical synthesis Author: Bc. Ondřej Veselý Supervisor: Mgr. Pavla Eliášová, Ph.D. Prague, 2019 Abstract (in english): The thesis is focused on synthesis of hierarchical (micro-mesoporous) zeolites by several different methods and their application in catalytic reactions. Performance of hierarchical materials prepared by different approaches has been investigated, as well as the effect of framework topology and type of acidity on the outcome of the reactions. The work was elaborated in the Department of Physical and Macromolecular Chemistry of Charles University under the supervision of Mgr. Pavla Eliášová, Ph. D. The work is divided into three parts. In the first part several methods of preparation of hierarchical zeolites have been investigated and compared in catalytic reactions. Desilication, selective removal of silicon from the framework, is a post-synthetic method that can be used to introduce additional mesoporosity into a zeolite. The process leads to formation of mesopores by introducing defects into the zeolite structure. The resulting mesopore size is very broad. To partially control the pore size, alkylammonium cations may be added to the solution to protect the crystal surface. The desilication was performed on MTW zeolite which contains...