Submitted by Marco Antonio Oliveira da Silva (maosilva@ipen.br) on 2016-08-25T17:43:02Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-08-25T17:43:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Nesse trabalho foi proposto investigar a estabilidade de fases do sistema zircônia-escândia (ScSZ) por meio do estudo termodinâmico de nanopartículas, na faixa de 0 a 20% em mol de Sc2O3, e a partir da introdução de um segundo aditivo (Dy2O3 e Nb2O5) ao ZrO2 contendo 10% em mol de Sc2O3 (10ScSZ). A estabilidade de fases do ScSZ foi avaliada com base em dados termodinâmicos determinados pelas técnicas de microcalorimetria de adsorção de água e calorimetria de dissolução à alta temperatura. As soluções sólidas foram sintetizadas pelo método de coprecipitação de hidróxidos. Dados termodinâmicos foram determinados para as formas polimórficas encontradas (monoclínica, tetragonal, cúbica, romboédrica β e γ) por difração de raios X no ScSZ. Esse trabalho resultou no diagrama de fases em nanoescala de tamanho de partícula-composição. Os efeitos produzidos pela introdução de aditivos na matriz de 10ScSZ foram investigados visando obter a possível estabilização da estrutura cúbica (c) e a supressão da transformação de fase c-β, característica do sistema binário. As composições foram sintetizadas por coprecipitação de hidróxidos e por reações em estado sólido para fins comparativos. Os materiais foram sinterizados convencionalmente e por sinterização assistida por campo elétrico. A estabilização completa da fase cúbica ocorreu a partir de teores molares de 1% de Dy2O3 e 0,5% de Nb2O5. O menor teor de Nb2O5 necessário para a estabilização da fase foi atribuído à provável formação da fase líquida durante a sinterização e ao menor tamanho do íon Nb5+. Os resultados de difratometria de raios X em alta temperatura e análise térmica mostraram que houve supressão da transição c-β. As amostras contendo 0,5% mol de Nb2O5 apresentaram valores de condutividade iônica similares aos do 10ScSZ sem aditivos em uma ampla faixa de temperatura com elevada estabilidade em um período de 170 h a 600 °C. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / FAPESP: 12/03319-5

Accomplir les spécifications des nouvelles réglementations concernant les gaz d'échappement de post-traitement des technologies automobiles, par exemple, TWC, implique la disponibilité et l'utilisation de matériaux catalytiquement actifs et notamment des composés tampons d'oxygène, ce qui peut réversible stocker et libérer de grandes quantités de l'oxygène. Oxyde de cérium dopé présente encore aujourd'hui le seul composé de référence pour un support approprié, en raison de sa grande capacité de stockage de l'oxygène et possibilité de créer facilement des lacunes en ions d'oxygène. Cependant, pour des raisons économiques et de l'abondance naturelle très limitée à quelques pays, la substitution de l'oxyde de cérium semble être obligatoire; Dans ce contexte, nous notons que l'oxyde de cérium est partie de la liste des 13 matières premières économiquement importants qui ont été identifiés par la Commission européenne comme soumis à un risque élevé d'interruption de l'alimentation. Dans ce contexte, les oxydes de type brownmillérite sont d'un intérêt potentiel, car ils révèlent oxygène mobilité ionique jusqu'à la température ambiante. En outre, ils permettent de régler la présence de défauts étendus par exemple frontières anti-phase au cours de conditions de synthèse, et qui se sont avérés diminuer de manière significative l'énergie d'activation pour la diffusion d'oxygène. Nous avons ainsi pu montrer que vice-riche nano-Ca2Fe2O5, traditionnellement connue comme une ligne phase stoechiométrique, peut être oxydé dans des conditions douces à CaFeO3, tandis que l'oxydation de Ca2Fe2O5 ordinaire nécessite généralement des conditions de réaction extrême, soit 1100 ° C et plusieurs GPa pression partielle d'oxygène. Ainsi, l'introduction d'une forte concentration de défauts semble être un concept prometteur pour transformer ligne phases stoechiométriques même traditionnellement connus pour devenir une sorte d'éponge de l'oxygène et de se comporter en tant que composé de stockage / tampon d'oxygène à des températures très modérées. Ce comportement est donc comparable à la capacité de stockage d'oxygène d'oxyde de cérium dopé, et dispose d'un potentiel réel pour l'application dans la catalyse. Par conséquent, le brownmillérite Ca2Fe2O5 semble être un candidat prometteur pour étudier en raison de ses oxygène connue propriétés de conductivité ionique.Objectif principal de ce travail est d'établir la relation fondamentale entre structure / microstructure, propriétés de mobilité de l'oxygène et de l'activité catalytique, simultanément entrepris pour deux systèmes: Ca2Fe2O5 avec la structure brownmillérite-type et CeO2 avec une structure de type fluorite. Nous essentiellement exploré les critères sous-jacents qui régissent leur composition chimique / activité catalytique, utilisant de l'oxygène comportement d'échange des isotopes par TG expériences couples de MS. D'autres études utilisant la spectroscopie Raman essentiellement permis de conclure à partir d'une dynamique de réseau modifiées pour différents isotopes de l'oxygène à la différence entre masse et la participation à l'oxygène de la surface au mécanisme d'oxydation du CO en CO2. Pour une meilleure compréhension mécaniste de l'oxydation de CO, nous avons développé un nouveau test catalytique, par rapport à une variation dynamique de la pression partielle d'oxygène dans le récipient de réaction, ce qui permet de conclure à la fois sur l'activité catalytique du catalyseur et sa libération de l'oxygène / comportement absorption , non accessible par le test d'activité catalytique classique interprétée sous un flux de gaz constant. De cette façon, nous avons eu un nouvel aperçu de différencier la participation de la surface et de l'activité vrac d'oxygène pour les catalyseurs à base d'oxyde de cérium et Ca2Fe2O5 différente. / Accomplishing specifications of new regulations regarding automotive exhaust after-treatment technologies, e.g. TWC, imply the availability and usage of catalytically active materials and especially oxygen buffer compounds, which can reversibly store and release high quantities of the oxygen. Doped cerium oxide presents still today the only reference compound for a suitable support, due to its high oxygen storage capacity and ability to easily create oxygen ion vacancies. However, for economic reasons and very limited natural abundance to a few countries, the substitution of ceria appears to be mandatory; in this context we note that ceria is part of the list of 13 economically important raw materials which were identified by the European Commission as subject to a high risk of supply interruption.In this context, Brownmillerite-type oxides are of potential interest, since they reveal oxygen ion mobility down to ambient temperature. Furthermore, they allow to adjust the presence of extended defects e.g. anti-phase boundaries, during synthesis conditions, and which have been shown to significantly decrease the activation energy for oxygen diffusion. We were thus able to show that defect-rich nano-Ca2Fe2O5, traditionally known as a stoichiometric line-phase, can be oxidized under mild conditions to CaFeO3, while the oxidation of ordinary Ca2Fe2O5 usually requires extreme reaction conditions, i.e. 1100°C and several GPa oxygen partial pressure. Thus, introducing a high concentration of defects seems to be a promising concept to transform even traditionally known stoichiometric line-phases to become a kind of oxygen sponge and behave as oxygen storage/buffer compound at very moderate temperatures. This behavior is thus comparable to the oxygen storage capacity of doped cerium oxide, and offers a true potential for application in the catalysis. Consequently, the Brownmillerite Ca2Fe2O5 appears to be a promising candidate to study due to its known oxygen ion conductivity properties.Primary aim of this work is to establish fundamental relation between structure/microstructure, oxygen mobility properties and catalytic activity, simultaneously undertaken for two systems: Ca2Fe2O5 with Brownmillerite-type structure and CeO2 with Fluorite-type structure. We essentially explored the underlying criteria governing their chemical/catalytic activity, using oxygen isotope exchange behavior by TG couples MS experiments. Further studies using essentially Raman spectroscopy allowed concluding from a modified lattice dynamics for different oxygen isotopes to differentiate between bulk and surface oxygen participation to the oxidation mechanism of CO to CO2. For a deeper mechanistic understanding of the CO oxidation, we developed a new catalytic test, based on a dynamic variation of the oxygen partial pressure in the reaction vessel, allowing to conclude simultaneously on the catalytic activity of the catalyst and its oxygen release/uptake behavior, not accessible by the classical catalytic activity test performed under constant gas flow. In this way we got a new insight to differentiate the participation of surface and bulk oxygen activity for different Ca2Fe2O5 and ceria based catalysts.

L’objectif principal de ce travail est de développer des optiques moulées transparentes du visible à l’infrarouge thermique 8-12μm pour des applications de vision multi-spectrales. La recherche de compositions de verres utilisables pour ces applications a été faite parmi les verres de chalcogénures (connus pour leurs grandes transparences dans l’infrarouge), plus précisément dans les systèmes GeS2-Ga2S3-CsCl et GeSe2-Ga2Se3-CsI. Ces deux systèmes présentent des transparences étendues dans le visible avec l’ajout d’halogénures d’alcalin.En privilégiant une transparence dans le domaine visible, le système à base de soufre a été plus précisément étudié avec la sélection de deux compositions 75GeS2-15Ga2S3-10CsCl et 65GeS2-20Ga2S3-15CsCl. Les transmissions optiques, les indices de réfraction, les dispersions chromatiques et les variations d’indices en fonction de la température pour ces compositions ont été mesurés. Les propriétés thermiques, la mise en forme des verres ainsi que les propriétés mécaniques ont été présentées pour compléter la caractérisation de ces matériaux. Ces compositions possèdent de bonnes stabilités contre la cristallisation et des transparences étendues de 0,5μm à 11,5μm. Ces résultats nous permettent d’envisager la production d’optiques couvrant une large bande spectrale et de proposer une alternative au matériau ZnS pour les systèmes optiques. Cependant, les dispersions chromatiques de ces deux verres possèdent des comportements très similaires. Une étude de ce paramètre important pour corriger les aberrations chromatiques a été faite pour permettre de déterminer une composition avec une dispersion différente.Pour ces verres, l’addition de chlorure de césium engendre une légère dégradation des propriétés optiques due à la réaction du verre avec l’humidité environnante. Pour protéger ces verres contre la corrosion de l’atmosphère, une couche protectrice de ZnS a été appliquée par pulvérisation cathodique. De plus, un traitement antireflet a été appliqué par Thales Angénieux pour optimiser la transmission de ces verres dans les bandes spectrales spécifiées. Ce revêtement antireflet agit également comme un revêtement de protection. Ces travaux sur des verres à base de GeS2-Ga2S3 pour des applications optiques, nous ont également conduits à étudier ces verres contenant des ions de sodium pour la conduction ionique avec l’ajout d’halogénure de sodium (NaI et NaCl). La conductivité ionique de ces verres a été mesurée et comparée à la conductivité des verres contenant du lithium. Il a été démontré que le système GeS2-Ga2S3-NaI peut conduire à des verres avec une conductivité ionique de 10-6 S.cm-1 à température ambiante. / The objective of our study is to develop moldable optics operating simultaneously from the visible up to the thermal infrared region (8-12μm) for multispectral applications. The research of a suitable composition for optical applications has been done among chalcogenide glasses (well known for their extended transmission in the infrared domain), more precisely in the GeS2-Ga2S3-CsCl and GeSe2-Ga2Se3-CsI glass-forming systems. These two systems present extended transparency in the visible region due to alkali halide addition.In order to have enough transparency in the visible region, the sulfide based system has been more precisely studied with the selection of two compositions: 75GeS2-15Ga2S3-10CsCl and 65GeS2-20Ga2S3-15CsCl. Their optical transmissions, the refractive indices, the chromatic dispersions and the indices as function of temperature are studied. The thermal properties, molding ability and mechanical properties have been also studied in addition to the above-mentioned optical properties. These two compositions shows good stability against crystallization and extended transparency from 0,5 to 11,5 μm. It makes possible to consider the production of optics which cover a large spectral band, leading to an alternative to the ZnS for multispectral optical system. However, the chromatic dispersion of these two glasses is similar. A study of this important parameter as function of the glass composition has been performed in order to find a new composition with significantly different chromatic dispersion.For all these glasses, the addition of cesium chloride causes a slight degradation of optical properties due to its sensitivity to moisture. In order to protect these glasses against the atmospheric aggression, an efficient protective coatings of zinc sulfide has been applied by sputtering. An antireflective coating has been developed by Thales Angénieux to enhance the transmission in different specific wavelength ranges. The Antireflection coating acts also as a protective coating.This work on glasses in the GeS2- Ga2S3 system for optical applications, has also led us to study these glasses containing sodium ions for ionic conduction. The ionic conductivity has been measured and compared to that of glasses containing lithium ion. It has been demonstrated that the GeS2-Ga2S3-NaI can lead to glasses with an ionic conductivity of 10-6 S.cm-1 at room temperature.

The present work deals with the research and development of gel polymer electrolytes and their applications. Thesis talks about the mechanisms that take place in gel electro-lytes. It also discusses the electroanalytical methods used in assessing the gel electro-lytes. The main focus of the work is the preparation of gel polymer electrolytes and compared their properties using methods of impedance spectroscopy, cyclic voltam-metry and methods of measurement of transference numbers. KEYWORDS

L’un des enjeux pour le développement des batteries tout-solide est d’augmenter la conductivité ionique des électrolytes solides. Le sujet de la thèse porte sur l’étude de deux types de matériaux d’électrolytes solides inorganiques cristallins: les Grenat Li7- 3xAlxLa3Zr2O12 (LLAZO) et les Nasicon Li1.15- 2xMgxZr1.85Y0.15(PO4)3 (LMZYPO). L’objectif de cette étude est de comprendre dans quelle mesure les propriétés conductrices des matériaux étudiés sont impactées par des modifications structurales générées soit par un procédé de traitement particulier, soit par une modification de la composition chimique, et ce grâce au croisement des données structurales acquises par diffraction des rayons X (DRX) et Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) MAS avec des données de dynamique des ions déduites de mesures de RMN en température et de spectroscopie d’impédance électrochimique (SIE).Les poudres ont été synthétisées après optimisation des traitements thermiques par méthode solide-solide ou solgel. La densification des pastilles utilisées pour les mesures de conductivité ionique par SIE a été réalisée par la technique de frittage Spark Plasma Sintering (SPS).Dans le cas des grenats LLAZO, l’originalité de notre travail est d’avoir montré qu’un traitement de frittage par SPS, au-delà de la densification attendue des pastilles, engendre également des modifications structurales qui ont des conséquences directes sur la mobilité des ions lithium dans le matériau et par conséquent sur la conductivité ionique. Une augmentation franche de la dynamique microscopique des ions lithium après frittage par SPS a en effet été observée par des mesures en température de RMN de 7Li et le suivi des constantes de relaxation.La deuxième partie de l’étude constitue un travail exploratoire sur la substitution de Li+ par Mg2+ dans LMZYPO. Nous avons ainsi étudié les propriétés de conduction ionique de ces composés mixtes Li/Mg, en parallèle d’un examen minutieux des phases cristallines formées. Nous avons notamment montré que la présence de Mg2+ favorise la formation des phases β’ (P21/n) et β (Pbna) moins conductrices ce qui explique la diminution de la conductivité ionique avec le taux de substitution de Li+ par Mg2+ observée dans ces matériaux de type Nasicon.Nos travaux soulignent donc l’importance primordiale des effets de structure sur les propriétés de matériaux d’électrolytes solides de type céramique. / One of the issues for the development of all-solid-state batteries is to increase the ionic conductivity of solid electrolytes. The thesis work focuses on two types of materials as crystalline inorganic solid electrolytes: a Garnet Li7-3xAlxLa3Zr2O12 (LLAZO) and a Nasicon Li1.15-2xMgxZr1.85Y0.15(PO4)3 (LMZYPO). The objective of this study is to understand to what extent the conduction properties of the studied materials are impacted by structural modifications generated either by a particular treatment process, or by a modification of the chemical composition. Structural data acquired by X-ray diffraction (XRD) and Magic Angle Spinning (MAS) Nuclear Magnetic Resonance (NMR) were then crossed with ions dynamics data deduced from NMR measurements at variable temperature and electrochemical impedance spectroscopy (EIS).The powders were synthesized after optimizing thermal treatments using solid-solid or sol-gel methods. Spark Plasma Sintering (SPS) technique was used for the densification of the pellets used for ionic conductivity measurements by EIS.In the case of garnets LLAZO, the originality of our work is to have shown that a SPS sintering treatment, beyond the expected pellets densification, also generates structural modifications having direct consequences on the lithium ions mobility in the material and therefore on the ionic conductivity. A clear increase of the lithium ions microscopic dynamics after SPS sintering was indeed observed by variable temperature 7Li NMR measurements and the monitoring of the relaxation times.The second part of the study provides an exploratory work on the substitution of Li+ by Mg2+ in LMZYPO. We studied the ionic conduction properties of these mixed Li/Mg compounds, in parallel with a fine examination of the crystalline phases formed. We have showed in particular that the presence of Mg2+ favors the formation of the less conductive β’ (P21/n) and β (Pbna) phases, which explains the decrease of the ionic conductivity with the substitution level of Li+ by Mg2+ observed in these Nasicon type materials.Our work therefore highlights the crucial importance of structural effects on the conduction properties of ceramic solid electrolyte materials.

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Les céramiques polycristallines transparentes sont une classe émergente de matériaux pour des applications optiques et photoniques. Au cours de cette thèse, nous avons utilisé une méthode innovante pour élaborer de tels matériaux : la cristallisation complète d'un verre parent. Ce procédé permet d'obtenir de nouvelles céramiques polycristallines transparentes grâce à l'absence de porosité, inhérente à la fabrication du verre parent et aussi d'accéder à de nouvelles phases cristallines. Deux études ont été menées pour améliorer la vitrification de la composition BaAl₄O₇ (1ère céramique transparente obtenue par cristallisation complète du verre). Des résultats surprenants ont été obtenus avec la cristallisation d'une nouvelle phase (BaGa₄O₇) ou avec la synthèse de céramiques biphasiques transparentes BaAl₄O₇ - BaAl₂O₄ dont la transparence est fortement améliorée par rapport à la céramique de BaAl₄O₇, grâce à la cristallisation d'une seconde phase BaAl₂O₄, limitant la croissance des grains biréfringents de BaAl₄O₇. Des céramiques polycristallines transparentes appartenant à la famille des mélilites, de formule générale Sr₁₊xRE₁₋xGa₃O₇₊x∕₂ (RE : rare earth), ont aussi été synthétisées. Des propriétés d'émission de lumière visible ont été mises en évidence à partir des compositions SrGdGa₃O₇ et SrYbGa₃O₇. Cette famille de céramiques polycristallines transparentes ouvre la voie à d'autres applications où l'absence totale de porosité ainsi que l'élaboration de nouvelles phases cristallines inaccessibles par réaction à l'état solide sont des facteurs clés. Ces possibilités ont été démontrées dans le cas de céramiques transparentes présentant une importante conductivité ionique. / Transparent polycrystalline ceramic is an emerging class of optic and photonic materials. During this thesis, we used an innovative method to elaborate such materials: the full glass crystallization. This process permits to obtain new transparent polycristalline ceramics through the lack of porosity, inherent to the parent glass and to access to new crystalline phases. Two studies were leaded to improve the glass forming ability of the BaAl₄O₇ composition (1st transparent ceramic obtained from full glass crystallization). Surprising results were obtained with the crystallization of a new phase (BaGa₄O₇) or with the synthesis of two-phase transparent ceramics (BaAl₄O₇ – BaAl₂O₄) where the transparency is considerably enhanced compared to the BaAl₄O₇ ceramic thanks to a second phase crystallization (BaAl₂O₄), limiting the growth of the birefringent BaAl₄O₇ grains. Transparent polycristalline ceramics belonging to the melilite family, with Sr₁₊xRE₁₋xGa₃O₇₊x∕₂ (RE: rare earth) general formulae were also synthesized. White light emission properties have been demonstrated from the SrGdGa₃O₇ and SrYbGa₃O₇ compositions. This family opens the way to others applications where the total absence of porosity with the elaboration of new crystalline phases unattainable by solid state reaction are key factors. These possibilities were demonstrated in the case of transparent polycristalline ceramics showing an important ionic conductivity.