Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / La liaison hydrogène est omniprésente dans la nature et joue un rôle capital dans la chimie de la matière vivante. Cette interaction non covalente, sélective, forte et directionnelle peut induire l'auto-assemblage de molécules. Les tectones sont définies comme étant des molécules dont les interactions sont dominées par des forces attractives spécifiques qui induisent la formation d'agrégats de géométrie contrôlée. La tectonique moléculaire est l'art et la science de la construction de supramolécules en utilisant des sous-unités tectoniques. Les liens hydrogène intermoléculaires présentent une force particulièrement efficace pour promouvoir la formation d'agrégats tectoniques et de telles tectones pouvant participer dans un vaste réseau de liens hydrogène peuvent être synthétisée simplement en ajoutant des sous-unités 2-pyridones sur une molécule support appropriée. Cette thèse décrit la conception et la synthèse de tectones comprenant quatre sous-unités 2-pyridones orientées suivant un tétraèdre de telle sorte qu'elles sont prédisposées à générer un réseau diamantoïde ou de géométrie comparable. Nous avons mis en évidence que de telles tectones tétraédriques peuvent s'associer par des liaisons hydrogène pour former un réseau diamantoïde contenant de larges cavités. Ces cavités générées par le réseau sont comblées par un entrelacement de réseaux diamantoïdes indépendants et autres molécules hôtes. Nous avons aussi mis en évidence que des tectones tétraédrique de différentes grandeurs peuvent engendrer des réseaux tridimensionnels autre que diamantoïdes. Ces résultats laissent entrevoir que l'application astucieuse de la tectonique moléculaire peut être employée à l'élaboration de molécules organiques dont l'assemblage tridimensionnel offrirait les propriétés remarquables des zéolites et autre substances inorganiques semblables comme la microporosité, la présence de cavités et la stabilité structurelle.

La capture du CO2 est, de nos jours, une opération très convoitée car elle permet de réduire les émissions des gaz à effets de serre. Elle peut également être appliquée dans l’intensification des procédés de vaporeformage par l’utilisation des adsorbants chimiques «haute-température» (vaporeformage couplé avec la capture in-situ du CO2 (sorption-enhanced steam reforming, SESR)), afin d’augmenter significativement la pureté de l’hydrogène en une seule étape. Parmi les adsorbants solides utilisés dans ce procédé, ceux qui sont à base de CaO ont montré une certaine efficacité. Toutefois, l’agglomération des particules de CaO au cours de l’opération cyclique carbonatation/régénération rend leur utilisation à échelle industrielle difficile. L’ajout de composants inertes à l’adsorbant est l’une des stratégies utilisées afin d’augmenter sa stabilité. L’objectif principal de ce travail est la valorisation d’un résidu métallurgique (oxyde d’UGS, UGSO) afin de développer un matériau hybride adsorbant-catalyseur pour application dans la production d’hydrogène de haute pureté par SESR du glycérol. Plusieurs échantillons contenant des proportions différentes UGSO/CaO ont été préparés et testés pour évaluer l'efficacité de l’UGSO dans la stabilisation de l’adsorbant. Les expériences ont été réalisées en utilisant un analyseur gravimétrique intelligent (IGA, Hiden Isochema). Pour tous les échantillons étudiés, une meilleure stabilité a été enregistrée lors de l’ajout de l’UGSO. Les résultats ont montré que l’échantillon contenant 10% en masse UGSO a présenté la meilleure stabilité avec une conversion de CaO de 76% au 18ème cycle carbonatation/régénération, contre une conversion de 55% pour l’échantillon CaO pur testé dans les mêmes conditions. Ce meilleur rapport UGSO/CaO a été ensuite utilisé pour préparer un matériau hybride adsorbant-catalyseur et ses performances ont été testées dans le procédé SESR du glycérol. Les résultats ont montré une production d’hydrogène de pureté élevée avec un rendementde 96%. Les résultats obtenus dans ce mémoire peuvent contribuer à l’optimisation du procédé de vaporeformage du glycérol couplé à l’adsorption in-situ duCO2. / Résumé en espagnol / CO2 capture is, nowadays, a widely discussed subject as it helps reducing the greenhouse gas emissions. It can also intensify steam reforming processes through the use of high-temperature sorbents, in order to produce high purity hydrogen in a single step (sorption-enhanced steam reforming, SESR). Among the solid sorbents used in this process, those based on CaO have shown good results. However, the agglomeration of sorbent particles (sintering) during the cyclic operation carbonation/regeneration makes their use difficult at an industrial scale. The addition of inert compounds to the sorbent is one of the strategies used to increase its stability. The main objective of this work is the valorization of a metallurgical waste called UGS oxide (UGSO), in order to develop a hybrid sorbent-catalyst material for application in the production of hydrogen with high purity by SESR of glycerol. Several samples with different UGSO/CaO ratios were synthesized and tested to evaluate the efficiency of UGSO in thesorbent stabilization. The experiments were performed using an intelligent gravimetric analyzer (IGA, Hiden Isochema). For all samples, a better stability was obtained in the presence of UGSO. The results showed that the sorbent containing 10 wt.% UGSO achieved the best stability with a CaO conversion of 76% at the 18th carbonation/regeneration cycle compared to 55% for pure CaO (limestone) tested under the same conditions. This optimal UGSO/CaO ratio was then used to prepare a hybrid sorbent-catalyst material and its performance was tested in the SESR of glycerol. The results showed the production of hydrogen with high purity (97%) and yield (96%). The results obtained in this master thesis can contribute to the optimization of the sorption enhanced steam glycerol reforming process.

Cette thèse passe en revue la production de carburant à partir d’énergie solaire de H2O et de CO2 à l'aide d'un photocatalyseur, ce qui est considéré comme l'une des solutions les plus prometteuses pour la lutte contre le réchauffement climatique et la crise du carburant. Cette thèse propose quatre nouvelles approches pour développer des photocatalyseurs nanostructures efficaces pour la réduction photocatalytique du CO2 et la production de H2. L’absorption de la lumière, la séparation des charges et les réactions de surface sont des aspects critiques qui ont un impact énorme sur la photoréduction du CO2 et la production photocatalytique de H2. Le g-C3N4 et les matériaux pérovskites sont des candidats appropriés pour ces processus, car ils offrent des caractéristiques structurelles et des propriétés exceptionnelles. Un grand nombre de photocatalyseurs nanostructures sont actuellement développés pour la photoréduction du CO2 et la production photocatalytique de H2. Les nanostructures 2D et les nanocomposites hétérostructures sont largement étudiés en raison de leurs excellentes propriétés telles que la séparation efficace et la longue durée de vie des porteurs de charge. De manière prometteuse, les nanostructures 2D et les nanocomposites des matériaux g-C3N4 et pérovskites présentent d'excellentes performances photocatalytiques, selon la littérature scientifique. Des nanofeuilles de pérovskite HCa2Ta3O10 réduites et des nanocomposites à hétérostructures g-C3N4/CdS sont des photocatalyseurs développés pour la photoréduction du CO2 sous la lumière du soleil. Les nanofeuilles de pérovskite HCa2Ta3O10 réduites sont préparées à partir de la pérovskite en couches CsCa2Ta3O10 par une méthode d'échange d'ions simple couplée à un traitement sous H2. Elles présentent une surface très élevée et une meilleure absorption de la lumière solaire. Leur large bande interdite est considérablement rétrécie par une introduction considérable de Ta+4 et de lacunes d'oxygène. En tant que support des nanoparticules de Pt et CuO, les nanofeuilles réduites présentent une activité photocatalytique de réduction du CO2 améliorée avec formation principale d'éthanol. Le nanocomposite g-C3N4/CdS hétérostructure est synthétisé par une méthode avancée développée par notre groupe en utilisant les gazes NH3 et H2S sous une haute pression créée in situ. Elle fracture la structure du C3N4, créant des nanoparticules CdS (NP) à la surface de iv la structure C3N4 modifiée. Le nanocomposite synthétisé comporte un C3N4 poreux lié aux nanoparticules CdS via le pont C-S-Cd. La structure est particulière avec la présence de nanoparticules de CdS qui favorise une photoréduction améliorée du CO2 sous la lumière du soleil avec une sélectivité élevée de production de CO. Les nanofeuilles et nanofragments de g-C3N4 sont synthétisés par de nouvelles approches en tant que photocatalyseurs pour la production de H2. Le complexe supramoléculaire de mélamine et d’acide cyanurique (MCS) avec une structure lamellaire condensée est synthétisé pour la première fois dans un autoclave à haute pression en tant que précurseur riche en N. La structure particulière du complexe MCS permet la formation directe de nanofeuilles g-C3N4 avec une surface spécifique élevée et une absorption de lumière significativement améliorée dans la région visible par le processus de traitement thermique à basse température. Les nanofeuilles telles que préparées peuvent générer un taux de production de H2 élevé en utilisant le spectre lumineux étendu à 550 nm avec une efficacité quantique élevée de 3,5%. Il est intéressant de noter que la préparation du complexe MCS induit une haute pression de NH3 et H2O, qui peut fracturer sélectivement la structure de C3N4 pour former des nanofragments avec une cristallinité élevée et des groupes fonctionnels abondants (-OH et -NH2). Les nanofragments préparés présentent des caractéristiques supérieures telles que la séparation et le transfert rapides des charges avec un excellent entraînement de charge, un niveau de bande de conduction élevé et une meilleure adsorption et activation des protons. Ils présentent une production photocatalytique exceptionnelle de H2 sous la lumière du soleil, avec un rendement quantique de 12,3% à 420 nm. / The thesis, herein, reviews solar-fuel production from H2O and CO2 using photocatalysts, which is considered as one of the most promising solutions to tackle global warming and fuel crisis. Importantly, this thesis provides four novel approaches to develop efficient nanostructured photocatalysts for both photocatalytic CO2 reduction and H2 production. Light-harvesting, charge separation, and surface reactions are critical aspects that have an enormous impact on the CO2 photoreduction and photocatalytic H2 production. g-C3N4 and perovskite materials are suitable candidates for these processes as they offer outstanding structural features and properties. A large number of nanostructured photocatalysts are currently developed for both CO2 photoreduction and photocatalytic H2 production. 2D nanostructures and nanocomposite heterostructures are widely studied because of their excellent properties such as efficient separation and long lifetime of charge carriers. Promisingly, 2D nanostructures and nanocomposites of the g-C3N4 and perovskite materials exhibit excellent photocatalytic performance, according to literature studies. Reduced HCa2Ta3O10 perovskite nanosheets and g-C3N4/CdS heterostructure nanocomposite are developed photocatalysts for the CO2 photoreduction under sunlight. Reduced HCa2Ta3O10 perovskite nanosheets are prepared from the layered perovskite CsCa2Ta3O10 by a simple ion-exchange method coupled with the H2 treatment. They exhibit very high surface area and improved sunlight absorption. Their wide-bandgap is significantly narrowed by a considerable introduction of Ta+4 and oxygen vacancies. By the support of deposited Pt and CuO nanoparticles, the reduced nanosheets exhibit an enhanced photocatalytic CO2 reduction activity with the primary formation of ethanol. g-C3N4/CdS heterostructured nanocomposite is synthesized by an advanced method developed by our group employing an in-situ-created high-pressure of NH3 and H2S. It fractures the carbon nitride framework, simultaneously creating CdS nanoparticles (NPs) on the surface of the modified C3N4 structure. The prepared nanocomposite contains a porous C3N4 structure in intimate contact with CdS nanoparticles via the C-S-Cd bridge. The distinctive structure with the presence of CdS nanoparticles favors an enhanced sunlight-driven photoreduction of CO2 with high selectivity toward CO. vi g-C3N4 nanosheets and nanofragments are synthesized by novel approaches as photocatalysts for the H2 production. Highly condensed lamellar melamine–cyanuric acid supramolecular (MCS) complex is synthesized, for the first time, in an autoclave at high pressure as the Nrich precursor. The distinctive structure of the MCS complex allows the direct formation of g-C3N4 nanosheets with high specific surface area and significantly enhanced light absorption in the visible region under low-temperature thermal treatment. The as-prepared nanosheets can generate a remarkable H2 production rate under the light spectrum extending to 550 nm with a high quantum efficiency of 3.5%. Interestingly, the preparation of the MCS complex induces a high-pressure of NH3 and H2O, which can fracture the C3N4 framework selectively to form nanofragments with high crystallinity and rich functional groups (-OH and -NH2). The prepared nanofragments display superior features such as rapid charge separation and transfer with excellent charge drive, high conduction band (CB) level, and improved proton adsorption and activation. They exhibit an outstanding photocatalytic H2 production under sunlight, with QE as high as 12.3% at 420 nm.

La liaison C-F est la plus forte liaison simple que peut faire le carbone, elle est aussi particulièrement plus forte que toutes les autres liaisons carbone-halogène (enthalpie de dissociation à 298 K: CH3-F 480,7 kJ/mol; CH3-Cl 349,9 kJ/mol, etc.). Malgré la force de cette liaison, de nombreuses méthodes sont apparues dans les dernières années pour l’activer dans les composés aromatiques, vinyliques et aliphatiques. Typiquement, ces méthodes nécessitent des conditions fortement acides ou l'utilisation de métaux de transition. Nous avons développé une méthode d’activation de liaisons C-F par l’eau pour réaliser des réactions de substitution nucléophile de type SN2. La réactivité accrue du lien carbone-fluor est due aux liaisons hydrogène entre l'eau et l'atome de fluor, qui agit comme accepteur. Suite à ces travaux, nous avons étudié la réactivité des fluorures benzyliques en présence de donneurs de liaisons hydrogène plus forts que l’eau, tel que le 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropan-2-ol (HFIP). Les résultats obtenus démontrent une réactivité inédite de type Friedel-Crafts (SN1). Une optimisation de la réaction a été effectuée. L'étendue de la transformation a été étudiée et les résultats obtenus nous ont permis de comprendre la réactivité du système en fonction des propriétés électroniques des fluorures de benzyle et des nucléophiles. Tous ces travaux ainsi que des études mécanistiques préliminaires seront présentés. / The carbon-fluorine bond is the strongest single bond that a carbon can have, it is also particularly stronger than any other carbon-halogen bonds (dissociation enthalpy at 298 K: CH3-F 480,7 kJ/mol; CH3-Cl 349,9 kJ/mol.). Despite the strength of this connection, numerous methods have emerged in recent years to turn it into aromatic and aliphatic vinyl compounds. Typically, these methods require strongly acidic conditions or the use of transition metals. We developed a C-F activation method with water to produce nucleophilic substitution reactions type SN2. The reactivity of carbon-fluorine bond is due to the hydrogen bonds between water and the fluorine atom, which acts as an acceptor. Following this work, we investigated the reactivity of benzyl fluoride in the presence of stronger hydrogen bond donor than water, such as 1,1,1,3,3,3- hexafluoro-2-propanol ( HFIP) The results show a Friedel-Crafts type unprecedented reactivity (SN1). An optimization of the reaction was carried out. The extent of the transformation has been studied and the results obtained have allowed us to understand the reactivity of the system based on electronic properties of benzyl fluorides and nucleophilic. All this work and preliminary mechanistic studies will be presented.

Titre de l'écran-titre (visionné le 30 novembre 2023) / Dans cette thèse, la dynamique d'excitation électronique et d'ionisation de H₂ dans une impulsion laser intense est étudiée en utilisant une approche ab initio pour résoudre numériquement l'équation de Schrödinger dépendante du temps (TDSE) pour ce système. Nous avons développé une nouvelle méthodologie utilisant des fonctions B-Splines comme base de développement des fonctions d'onde multi-configurationnelles du système. Afin de décrire et d'analyser la dynamique d'ionisation et d'excitation électronique, nous faisons appel au programme MEDYS (Many-Electron-Dynamics System), conçu à notre laboratoire en interne, et dont l'adaptation en base B-Spline pour donner la version MEDYS-BSpline est un des objectifs de la thèse. Ce programme utilise une méthode d'interaction de configuration dépendante du temps (TDCI) pour décrire la dynamique temporelle de l'ionisation sur les voies de l'espace lié et celui des cations. En application de la méthodologie, le travail continue avec la détermination du régime d'ionisation, tunnel ou multiphotonique, quand la molécule H₂ est soumise à un rayonnement intense dans l'infra-rouge proche (de longueur d'onde λ = 800 nm). Le travail entreprend également une évaluation numérique de l'approximation du Champ Fort en comparant les résultats de calculs de la dynamique électronique utilisant l'approximation de Strong Field Approximation (SFA) avec ceux utilisant une représentation complète et non-SFA du propagateur de l'électron ionisé. / In this thesis, the dynamics of electronic excitation and ionization of H₂ in an intense laser pulse are studied using an ab initio approach to numerically solve the time-dependent Schrödinger equation (TDSE) for this system. We have developed a new methodology using B-Spline functions as a basis for developing the multiconfigurational wave functions of the system. To describe and analyze the dynamics of ionization and electronic excitation, we employ the in-house program called Many-Electron-Dynamics System (MEDYS), and one of the objectives of the thesis is to adapt it to the B-Spline basis, resulting in the MEDYS-BSpline version. This program utilizes a time-dependent configuration interaction (TDCI) method to describe the temporal dynamics of ionization in both bound and cationic states. Applying this methodology, the work continues with the determination of the ionization regime, either tunneling or multiphoton, when H₂ is subjected to intense radiation in the near-infrared (wavelength λ = 800 nm). The work also undertakes a numerical evaluation of the Strong Field Approximation (SFA) by comparing the results of electronic dynamics calculations using the SFA approximation with those using a full and non-SFA representation of the ionized electron propagator.

Le but principal de ce travail est de déterminer l’effet de la cristallinité sur la perméation aux gaz pour des films polymères. En particulier, on utilise l’acide polylactique (PLA) comme matrice et différents gaz (azote, dioxyde de carbone, hydrogène, méthane et oxygène) pour les propriétés de transfert. À cet effet, le travail a été divisé en trois parties. Dans la première partie, on utilise le talc comme agent de nucléation afin de modifier la cristallinité du PLA. Dans ce cas, on remarque que la perméabilité au gaz et le coefficient de diffusion sont réduits en augmentant la teneur en talc (0-3% poids). On constate aussi que l’augmentation de la cristallinité due à la nucléation hétérogène ne modifie pas significativement les propriétés mécaniques, sauf pour la déformation à la rupture. Néanmoins, les propriétés de transfert sont diminuées. Dans la deuxième partie, l’effet du temps de recuit pour modifier la cristallinité du PLA seul et avec 3% de talc a été étudié. Dans ce cas, on constate que la perméabilité aux gaz et le coefficient de diffusion sont réduits en augmentant le temps de recuit (jusqu'à 40 minutes). On constate également que l'augmentation de la cristallinité ne modifie pas les propriétés mécaniques, à l'exception du module de Young. Enfin, la température de recuit pour améliorer la cristallinité du PLA seul ou avec 3% de talc a été étudiée. Bien que la perméabilité aux gaz et le coefficient de diffusion aient diminué en augmentant la température de traitement (de 60 à 120°C), l'augmentation de la cristallinité finale n’a pas changé de manière significative les propriétés mécaniques, à l'exception du module de Young et la déformation à la rupture pour le composite ayant 3% de talc. / The main purpose of this work is to determine the effect of crystallinity on the gas permeation of polymer films. In particular, polylactic acid (PLA) was used as the matrix and various gases were selected (nitrogen, carbon dioxide, hydrogen, methane and oxygen) for the gas transport properties. To this end, the work was divided into three parts. In the first part, talc was used as a nucleating agent to modify the crystallinity of PLA. In this case, it was noted that the gas permeability and the diffusion coefficient were reduced with increasing talc content (0-3% by weight). It was also observed that increased crystallinity was related to heterogeneous nucleation, but had limited effect on mechanical properties, with the exception of strain at break. However, the transport properties were decreased. In the second part, annealing time was used to modify PLA crystallinity with 0% and 3% talc. In this case, it was found that gas permeability and diffusion coefficient were lowered with higher annealing time (up to 40 min). It was also observed that higher crystallinity did not change the mechanical properties except for the Young’s modulus. Finally, annealing temperature was modified to improve the crystallinity of neat PLA and 3% talc composite. While gas permeability and diffusion coefficient both decreased with increasing annealing temperature (from 60 to 120°C), crystallinity changes did not significantly modify the mechanical properties, except for the Young’s modulus and strain at break of the 3% talc composite.

Dans un contexte de crise environnementale et d'épuisement des ressources énergétiques conventionnelles, le modèle énergétique obsolète fondé sur les combustibles fossiles doit être redéfini et redessiné. Malgré plusieurs types d'énergies alternatives renouvelable en développé et en cours de développé, en sachant qu'elles jouent un rôle important à moyen et long terme, l'utilisation de l'énergie solaire présente actuellement un grand intérêt aux scientifiques. La production d'hydrogène par la dissociation de l'eau et le dispositif photovoltaïque en convertit directement la lumière solaire en électricité devient plus compétitifs mais son coût ne cesse de diminuer en parallèle du progrès de la technologie. En conséquence, cette thèse concentre sur la synthèse et la modification de nanoparticules de dioxyde de titane (TiO2) et aussi parlant de la fabrication et de l'optimisation des dispositifs basés sur ces nanoparticules pour des applications photovoltaïque et de la photo-catalyse par la dissociation de l’eau. La synthèse et la modification des nanoparticules de TiO2 ont été optimisées pour contrôler la morphologie des particules, spécialement leur taille et leur forme, en utilisant différents types de surfactants. Ceci nous a permis de développer des nanoparticules de TiO2 avec différentes formes, telles que les nanosphères, les nanotiges, les nanorhombiques, et différentes tailles allant de 3 x 40 nm à 3 x 20 nm. L’effet du surfactant sur la morphologie des nanoparticules de TiO2 a été soigneusement caractérisé et analysé. La modification de la surface des nanoparticules de TiO2 ainsi développées par du sulfure de cadmium (CdS) a été optimisée dans le but de les utiliser dans les cellules solaires hybrides à hétérojonction volumique (BHJs) et aussi pour la production d’hydrogène via la dissociation de l’eau. Il a été démontré que l’efficacité de conversion de la puissance énergétique des BHJs a été augmentée de l'ordre de 17 fois en utilisant les nanotiges modifiées TiO2/CdS comparativement au nanotiges TiO2 non modifiées. Finalement, il a été démontré que la modification en surface des nanoparticules de TiO2 par du CdS et du Nickel menait à une nette amélioration dans la performance production d’hydrogène via la dissociation de l’eau. Cette réaction de dissociation présentait une stabilité. / In a context of environmental crisis and depletion of conventional energy resources, the current energy model based on fossil fuels is obsolete and needs to be redefined and redesigned. Even though, there are many different renewable alternatives developed or under developing, which are expected to take a main role in the middle and long term. The use of energy from the sun is currently attracting much attention from the scientists. For example, hydrogen generation via water splitting and photovoltaic devices that convert directly sunlight into electricity become more competitive as the cost continues to decrease with the technology advancement. Taking this into account, this thesis is focused on the synthesis and modification of titanium dioxide nanoparticles (TiO2 NPs) and the development and optimization of devices based on these nanoparticles for photovoltaic applications and photocatalyst water splitting. The synthesis of TiO2 NPs was mainly emphasized on controlling the morphologies, especially their shape and size, by using different types of capping agents. TiO2 NPs with various shapes, such as nanosphere, nanorod, nanorhombic, and various sizes from 3 x 40 nm to 3 x 20 nm were achieved. The effects of capping agent on TiO2 NPs morphologies were characterized and analyzed carefully. Based on the developed TiO2 NPs, cadmium sulfide (CdS) was deposited on the surface of TiO2 NPs, and then was optimized for the hybrid bulk heterojunction solar cells (BHJs) and photocatalytic hydrogen production via water splitting. Especially, with the use of TiO2-based nanocomposites in BHJs systems, it showed improvement of around 17 times in power efficiency conversion compared to the system used unmodified TiO2 NPs. On the other hands, with the use of a new non-noble metal-nanocomposites composed of CdS/TiO2, and Nikel clusters, the performance of the photocatalytic hydrogen production via water splitting system was enhanced and it showed that the reaction is stable up to 15h.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / La catalyse joue un rôle essentiel dans de nombreuses applications industrielles telles que les industries pétrochimique et biochimique, ainsi que dans la production de polymères et pour la protection de l'environnement. La conception et la fabrication de catalyseurs efficaces et rentables est une étape importante pour résoudre un certain nombre de problèmes des nouvelles technologies de conversion chimique et de stockage de l'énergie. L'objectif de cette thèse est le développement de voies de synthèse efficaces et simples pour fabriquer des catalyseurs performants à base de métaux non nobles et d'examiner les aspects fondamentaux concernant la relation entre structure/composition et performance catalytique, notamment dans des processus liés à la production et au stockage de l'hydrogène. Dans un premier temps, une série d'oxydes métalliques mixtes (Cu/CeO2, CuFe/CeO2, CuCo/CeO2, CuFe2O4, NiFe2O4) nanostructurés et poreux ont été synthétisés grâce à une méthode améliorée de nanocasting. Les matériaux Cu/CeO2 obtenus, dont la composition et la structure poreuse peuvent être contrôlées, ont ensuite été testés pour l’oxydation préférentielle du CO dans un flux d'hydrogène dans le but d’obtenir un combustible hydrogène de haute pureté. Les catalyseurs synthétisés présentent une activité et une sélectivité élevées lors de l'oxydation sélective du CO en CO2. Concernant la question du stockage d'hydrogène, une voie de synthèse a été trouvée pour le composét mixte CuO-NiO, démontrant une excellente performance catalytique comparable aux catalyseurs à base de métaux nobles pour la production d'hydrogène à partir de l'ammoniaborane (aussi appelé borazane). L'activité catalytique du catalyseur étudié dans cette réaction est fortement influencée par la nature des précurseurs métalliques, la composition et la température de traitement thermique utilisées pour la préparation du catalyseur. Enfin, des catalyseurs de Cu-Ni supportés sur silice colloïdale ou sur des particules de carbone, ayant une composition et une taille variable, ont été synthétisés par un simple procédé d'imprégnation. Les catalyseurs supportés sur carbone sont stables et très actifs à la fois dans l'hydrolyse du borazane et la décomposition de l'hydrazine aqueuse pour la production d'hydrogène. Il a été démontré qu'un catalyseur optimal peut être obtenu par le contrôle de l'effet bi-métallique, l'interaction métal-support, et la taille des particules de métal. / Catalysis plays an essential role in many industrial applications such as petrochemical and biochemical industries, as well as in the production of polymers and in environmental protection. Design and fabrication of efficient catalysts in a cost-effective way is an important milestone to address a number of unresolved issues in the new generation of chemical and energy conversion technologies. The objective of the studies in this thesis is the development of facile synthetic routes to prepare efficient catalysts based on non-noble metals, and elucidate fundamental aspects regarding the relationship between structure/composition and catalytic performance, in particular in the case of processes related to production and storage of hydrogen fuel. At first, a series of nanostructured porous mixed metal oxides (Cu/CeO2, CuFe/CeO2, CuCo/CeO2, CuFe2O4, NiFe2O4) have been synthesized via an improved nanocasting method. The porous structure of the nanocast products was tailored by tuning the mesostructure of the mesoporous silica phases used as templates. The obtained Cu/CeO2 materials with controlled composition and porous structure were then tested in preferential oxidation of CO in a hydrogen stream to achieve high purity hydrogen fuel. The synthesized catalysts exhibit high activity and selectivity in selective oxidation of CO to CO2. Regarding hydrogen storage, we reported a cost-effective synthetic way towards bi-component CuO-NiO catalyst showing excellent catalytic performance, which is comparable to noble metal catalysts, in the hydrogen generation from ammonia-borane. Moreover, we demonstrate that the interaction between Cu and Ni species is essential in accelerating hydrogen evolution of ammonia borane. The catalytic activity of the obtained catalyst investigated in this reaction is strongly influenced by the nature of the metal precursors, the composition and the thermal treatment temperature employed for the catalyst preparation. Finally, silica- and carbon-supported Cu-Ni nanocatalysts, with tunable composition and metal particle size, were synthesized by simple incipient wetness method. The carbon supported catalysts are stable, highly active and selective in both ammonia-borane hydrolysis and the decomposition of hydrous hydrazine for hydrogen evolution. We showed that optimal catalysts can be achieved through manipulation of bimetallic effect, metal-support interaction, and adequate metal particle size.

Les étoiles vivent et meurent en rejetant de la matière dans le milieu interstellaire (MIS) et elles naissent à l’intérieur de celui-ci. Nous avons analysé la composante d’hydrogène neutre du MIS. Nos données proviennent de la partie canadienne de l’International Galactic Plane Survey qui vise l’imagerie spectroscopique de l’hydrogène neutre du plan de notre galaxie. Nous avons utilisé deux outils mathématiques d’analyse d’images: la technique d’Espaces Métriques (TEM) et la méthode des Maxima du Module de la Transformée en Ondelettes (MMTO). La TEM est un formalisme mathématique d’analyse d’images qui permet de comparer quantitativement la complexité des objets étudiés. Nous avons amélioreré l’outil aux niveaux mathématique et technique avant de l’utiliser pour caractériser la complexité de 28 régions d’hydrogéne neutre. Aprés avoir classé les 28 objets, nous avons trouvé des corrélations entre ce classement et les propriétés physiques des objets sous-jacents, dont: (1) Plus le flux des photons UV est élevé, plus la région de H i photodissociée est complexe; et (2) la complexité des régions H i augmente avec l’ˆage des restes de supernovae auxquels elles sont associées. La méthode MMTO est un formalisme multifractal basé sur la transformée en ondelettes. Nos résultats obtenus à partir de cette méthode concernent les propriétés multifractales et anisotropes de l’hydrogène neutre dans notre galaxie. Les nuages terrestres exhibent des propriétés multifractales. Nous avons démontré que l’hydrogène neutre du disque de notre galaxie est monofractal. En analysant séparément les bras spiraux et les milieux inter-bras, nous avons découvert une signature anisotrope et que les structures horizontales sont plus complexes que les structures verticales. Cette anisotropie est indépendante de l’échelle pour les inter-bras tandis qu’elle est dépendante de l’échelle pour les bras spiraux. Les hypothèses investiguées pour obtenir une explication physique sont: le gradient de distribution en z (“scale-height gradient”), l’onde de densité, l’activité de formation d’étoiles, la photo-lévitation de nuages poussiéreux, les mouvements aléatoires de nuages H i, la corrugation et la turbulence. / Stars live and die by rejecting matter in the interstellar medium (ISM), where they were born. We have analyzed the neutral hydrogen component of the ISM. The data come from the Canadian portion of the International Galactic Plane Survey which aims the spectroscopic imaging of the neutral hydrogen from our Galaxy. We have used two mathematical image analysis tools: Metric Space Technique (MST) and the Wavelet Transform Modulus Maxima (WTMM) method. The MST is an image analysis mathematical formalism that allows one to quantitatively compare the complexity of the studied objects. We have improved the tool mathematically and technically before using it to characterize the complexity of 28 neutral hydrogen regions. After classifying the 28 objects, we have found some correlations between this ranking and the physical properties of the underlying objects, for example: (1) The complexity of the photodissociated neutral hydrogen regions increases with the flux of UV photons; and (2) the complexity of neutral hydrogen regions increases with the age of the supernovae remnants to which they are associated. The WTMM method is a multifractal formalism based on the wavelet transform. The results we obtain from this method concern the multifractal and anisotropic properties of neutral hydrogen in our Galaxy. Earth clouds exhibit multifractal properties. We have shown that the neutral hydrogen from our galactic disk is monofractal. By analyzing separately spiral arms and the inter-arm regions, we have discovered an anisotropic signature and that the horizontal structures and more complex than the vertical structures. This anisotropy is independent of scale for the inter-arms while it is depedent of scale for the spiral arms. The investigated hypotheses to obtain some physical explanations are: the scale-height gradient, the density wave, star formation activity, photo-levitation of dusty clouds, random motions of neutral hydrogen clouds, corrugation and turbulence.

Hydrogen production by anaerobic digestion is considered as one of tomorrow's clean energy source. Swine manure is also a big concern but as a problematic waste, a waste that could eventually be degraded by anaerobic digestion. The goal of this study was to combine these two subjects and design, operate, study and optimize an anaerobic reactor that could use a substrate with a heavy load of proteins like swine manure. To achieve these objectives, two experimental campaigns in an upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) as weIl as an activity test campaign in bottles were conducted on granular sludge that was thermally pre-treated. The effects of teinperature, hydraulic retenti on time, pH and the use of a citrate buffer on the productivity of hydrogen and other metabolic by-products where monitored. Temperature of 55 °C gave better results (1.85 L H2·(d·Lyl)⁻¹) than 35 °C (0.078 L H2·(d·Lyl)⁻¹) and pH 5 (3.3 L H2·(d·Lyl)⁻¹) was preferable to pH 4.5 (1.75 L H2·(d·Lyl)⁻¹) and 5.5 (2.5 L H2·(d·Lyl)⁻¹) at 55 °C. A major production of lactic acid was also measured and showed up to be a major problem that influenced negatively hydrogen productivity and yield. It was also deterrnined that a citric acid buffer was inefficient and could easily be degraded at 35 °C. FinaIly, a pH 10 choc treatment improved hydrogen productivity by 50% to reach a maximum average of 3.49 L H2·(d·Lyl⁻¹) on the day that followed the recovery of the system.