Une organisation contrôlée de la porosité offre l’opportunité de combiner les avantages structuraux des macropores (diamètres supérieures à 50 nm), assurant l’intégrité et l’interconnectivité de l’ossature du matériau, avec ceux des pores plus étroits (méso- et micropores), déployant des surfaces spécifiques réactives importantes. L’élaboration de telles architectures, dites « hiérarchisées », à l’échelle du laboratoire représente un véritable défi physico-chimique. Dans ce contexte, ce travail de thèse s’intéresse à l’élaboration de matériaux poreux fonctionnels avancés, s’inscrivant dans le concept de chimie intégrative, en combinant matière molle (mésophases lyotropes, émulsions directes concentrées, auto-assemblages organique-organique, etc.), procédé sol-gel, polymérisation organique et principe de l’empreinte « dure ». Dans une première approche générale, des monolithes hybrides macrocellulaires à base de silice ont été fonctionnalisés par greffage covalent post-synthèse ou par co-condensation de précurseurs organosilanes appropriés. Dès lors, l’encapsulation de complexes luminescents (ions europium), de catalyseurs métalliques piégés dans une phase liquide ionique supportée (sels ou nanoparticules de palladium), ou d’entités biologiques (enzymes hydrosolubles : lipases) a offert une modulation rationnelle des propriétés optiques, catalytiques ou biocatalytiques induites in fine. Dans une seconde approche générale, l’utilisation de monolithes de silice macrocellulaires comme empreintes dures « sacrificielles » a permis la genèse de composés carbonés poreux, associée à un contrôle structural sur plusieurs échelles. Dès lors, une surface spécifique développée et une porosité hiérarchisée, conjuguées à des propriétés intrinsèques opportunes (stabilités thermique et chimique, conductivité électrique), ont offert un large champ d’applications, comme électrodes pour systèmes de stockage de l’énergie électrochimique (batteries Li-ion et condensateurs à double couche électrochimique), sites de nucléation de borohydrures de lithium (LiBH4) pour le stockage de l’hydrogène, ou encore comme électrodes enzymatiques pour biopiles. / Mainly induced by the wide scope of expected applications, designing hierarchical porous architectures appears today as a strong and competitive field of research. The opportunity to combine the structural advantages of both macropores (diameters larger than 50 nm), providing interconnected framework while reducing the diffusion low kinetic issue, with those of the more narrow pores (meso and micropores), generating high surface reactive areas, has induced a need for novel synthetic routes to achieve hierarchical structures. In this view, by combining soft mater (lyotropic mesophases, concentrated direct emulsions or organic-organic self-assemblies, etc.), sol-gel process, organic polymerization and hard-template approaches, we have generated new functional porous materials, fitting with the transversal integrative chemistry concept. In a first general approach, organically grafted silica foams have been designed, either by a grafting method or a one-pot co-condensation route of organosilane derivatives, to encapsulate luminescent complexes (europium ions), metallic catalysts entrapped into supported ionic liquid phase (palladium salts or nanoparticules) or bio-related entities (water-soluble enzymes: lipases), dealing with promising optical, catalytic or biocatalytic properties. In a second synthetic pathway, using siliceous foams as “sacrificial” hard templates, carbonaceous foams have been obtained addressed through a structural design over several length scales. Due to inherent high surface area, chemical inertness, thermal stability and good conductivity, this new foams series has offered a large field of applications, such as electrodes for electrochemical energy storage devices (Li-ion batteries and electrochemical double-layer capacitors), host sites for hydrogen storage through LiBH4 nucleation, as well as advanced porous electrodes for enzyme-based biofuel cells.

L’objectif de ce travail est d’étudier et de contribuer à améliorer la capacité des liquides ioniques pour l’absorption sélective de dioxyde de carbone. Pour cela nous avons envisagé la fluorination partielle des cations ou des anions constituant les liquides ioniques. Nous avons sélectionné des liquides ioniques partiellement fluorés à étudier, dont trois ont été synthétisés dans ce travail. Dans un premier temps, nous avons étudié l’impact de la structure des liquides ioniques purs sur leurs propriétés thermophysiques telles que la masse volumique, la viscosité et la stabilité thermique. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les propriétés thermodynamiques de mélanges des liquides ioniques avec des gaz ou des liquides. La miscibilité de l’eau a ainsi été étudiée en fonction de la température. Nous avons mesuré la solubilité de cinq gaz (dioxyde de carbone, protoxyde d’azote, éthane, azote, hydrogène) dans les liquides ioniques, pour des températures comprises entre 298 K et 343 K et des pressions proches de la pression atmosphérique. La simulation moléculaire a été utilisée afin d’identifier les sites préférentiels de solvatation de dioxyde de carbone et d’éthane, et de proposer des mécanismes moléculaires de solvatation de ces gaz. Les coefficients de diffusion du dioxyde de carbone et de l’éthane dans les liquides ioniques ont été calculés. Nous avons déterminé l'enthalpie de solution et la limite de solubilité du dioxyde de carbone en fonction de la pression à 313 K utilisant une technique calorimétrique à écoulement. / The research project of this thesis is devoted to the evaluation of the use ionic liquids for applications in carbon dioxide separation and capture. The objective of this work is to improve the ability of ionic liquids to selectively absorb carbon dioxide by partially fluorinating the alkyl chains on the cation and / or the anion. First, we selected the ionic liquids to study and we had to synthesize three ionic liquids.Then, the first part of our studies is focused on the impact of the structure of pure ionic liquids on their thermophysical properties. Density, viscosity and thermal stability were determined. The second part of our studies deals with the determination of the thermodynamic properties of solution of gaseous solutes and liquids in ionic liquids. The miscibility gap in mixtures of ionic liquids with water was studied as a function of temperature. We have determined experimentally the solubility of five gases (carbon dioxide, nitrous oxide, ethane, nitrogen and hydrogen) in Ionic liquids for temperatures between 298 K and 343 K and pressures close to atmospheric pressure. Molecular simulation tools were used in order to identify the preferential solvation sites of carbon dioxide and ethane in ionic liquids and we have proposed the molecular mechanisms of solvation. Moreover, the diffusion coefficient of carbon dioxide and ethane in some ionic liquids was investigated. Finally, we studied as a function of the pressure, at 313 K, the enthalpy of solution and the solubility limit of carbon dioxide in two ionic liquids, using a flow calorimetric technique.

Les liquides ioniques connaissent depuis quelques décennies un essor particulier en raison de leurs nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, telles qu’une faible pression de vapeur saturante, une viscosité limitée, une faible miscibilité avec la plupart des solvants communs, ou encore des propriétés d’agencement supramoléculaire, qui en font des outils puissants dans de nombreux domaines de la chimie. Les sels d’imidazolium représentent la plus grande famille de liquides ioniques à ce jour. Leur modulabilité leur permet d’être dérivés pour de nombreuses applications spécifiques, notamment en synthèse organique, où ils sont utilisés majoritairement comme solvants, et plus récemment comme catalyseurs. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur leur utilisation en synthèse organique, à la fois comme solvants et principalement comme catalyseurs chiraux, catalyseurs pour lesquels l’anion du sel est l’espèce catalytique, permettant d’ajouter de la flexibilité et de la mobilité au système. En tirant parti de la tolérance des liquides ioniques envers la majorité des macromolécules naturelles, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est le développement d’un nouveau type de catalyseur bio-hybride reposant sur l’encapsulation d’un sel d’imidazolium dans une protéine. Par le biais de la technologie biotine-avidine, l’inclusion supramoléculaire de sels d’imidazolium biotinylés portant des contre-anions catalytiques dans l’avidine a été réalisée et exploitée en catalyse. Dans un premier temps, le développement et l’étude de deux sels de 1-butyl-3-méthylimidazolium possédant des anions chiraux dérivés de la trans-4-hydroxy-L-proline sont rapportés, ainsi que leur comportement dans des réactions énantiosélectives d’aldol et d’addition de Michael. Ces types de composés se sont révélés actifs et performants en milieu liquide ionique. Dans un second temps, la préparation de sels d’imidazolium dont le cation est biotinylé et portant un contre-anion achiral, a été réalisée. Le comportement de l’avidine en milieu liquide ionique et son apport en termes de chiralité sur le système bio-hybride ont été étudiés. Les résultats montrent le rôle crucial des liquides ioniques sur la conformation de la protéine et l’efficacité du catalyseur pour des réactions d’aldol. Dans un dernier temps, l’influence de la structure du cation et de l’anion sur le système a été étudiée. Différents espaceurs ont été introduits successivement dans les squelettes cationiques et anioniques des sels d’imidazolium biotinylés. Dans le cas du cation, les résultats ne révèlent aucune influence majeure sur l’efficacité du catalyseur. La structure de l’anion se montre cependant beaucoup plus importante : la préparation de différents catalyseurs bio-hybrides possédant des anions aux propriétés physico-chimiques différentes a permis d’obtenir de plus amples informations sur le mode de fonctionnement du système bio-hybride et de la coopérativité entre l’avidine et l’anion du sel d’imidazolium.La nature ionique de la liaison cation-anion offrant une liberté de mouvement accrue à l’anion dans la protéine, la tolérance à différents substrats a également été abordée après optimisation du système. / Ionic liquids have gained a growing interest due to many interesting properties, such as low vapor pressure, reasonably low viscosity, poor miscibility with common organic solvents, and also exhibit supramolecular organization in solution, which make them interesting tools for several fields of applications in chemistry. As of today, imidazolium salts make up the largest family of ionic liquids. Their modulability allows them to be used for a wide range of applications, notably in organic chemistry, where they are mainly used as solvents, but also more recently as actual catalysts. The work presented in this thesis focuses on their use as solvents and chiral catalysts, in which the catalytic species is the anion of the imidazolium salts, adding more flexibility and mobility to the whole system. Taking advantage from the tolerance of ionic liquids toward biological macromolecules, the main goal of this work is the design and development of a new type of bio-hybrid catalyst based on the encapsulation of an imidazolium salt inside the cavity of a host protein. Based on the biotin-avidin technology, the supramolecular ligation of biotinylated imidazolium salts inside avidin, bearing catalytic counter-anion, is discussed. As a first step, the development and studies of two 1-butyl-3-methylimidazolium-based salts, bearing trans-4-hydroxy-L-proline-derived anions are reported. Their use for asymmetric catalysis in ionic liquids media is disclosed, both for the aldol and Michael additions. Results show that these compounds are viable and efficient organocatalysts in ionic liquids. Subsequently, the preparation of biotinylated imidazolium salts, bearing a racemic pyrrolidine-based counter-anion is reported. Avidin behaviour in ionic liquid media, as well as its contribution for the stereocontrol for the whole bio-hybrid system, is assessed. Results highlight the critical role of the ionic liquid reaction medium on the protein’s conformation, and thus the efficiency of the bio-hybrid catalyst towards aldol reactions. Finally, the influence of the structure of the cation and anion on the catalytic properties of the biohybrid system were investigated. Several spacers were inserted successively both in the cation and anion structures of the biotinylated imidazolium salts. Regarding the cation modifications, results show no major influence on the bio-hybrid catalyst behaviour. However, modifying the anion structure revealed the much more important role of the anion towards catalysis. Preparation of different anions, each bearing a different spacer, granting them different physico-chemical properties, gives rise to further information regarding the behaviour of the bio-hybrid catalyst, and possible cooperativity between avidin and the imidazolium salt. The ionic character of the interaction between the anion and the cation, allowing a greater freedom of movement of the anion inside the avidin’s cavity, and the tolerance of the bio-hybrid system to different substrates were studied.

Ce travail de thèse vise à comprendre les propriétés thermodynamiques et les mécanismes réactionnels engendrés dans les réactions de cycloaddition d'époxydes en milieu CO2 supercritique catalysées par des liquides ioniques pour la synthèse de carbonates cycliques. Les propriétés thermodynamiques (solubilité, gonflement, diagramme de phase) des mélanges binaires époxyde/CO2 ont été déterminées pour des époxydes modèles et des époxydes dérivées d'huiles végétales. Des suivis cinétiques in-situ par spectroscopie IR-TF et Raman ont été effectués pour déterminer l'influence de la nature des liquides ioniques étudiés et des paramètres température-pression sur les cinétiques de réaction. Des modélisations moléculaires de type DFT nous ont permis de proposer un mécanisme réactionnel en accord avec les résultats expérimentaux et de bien comprendre quels sont les rôles respectifs de l'anion et du cation du liquide ionique dans la réaction. / This thesis aims to understand the thermodynamic properties and reaction mechanisms generated in the cycloaddition reaction of epoxides in supercritical CO2 medium catalyzed by ionic liquids for the green synthesis of cyclic carbonates. Thermodynamic properties (solubility, swelling, phase diagram) of epoxide/CO2 binary mixtures were determined for commercial mono-epoxides and vegetable based epoxidized oils. Kinetics study in-situ by FTIR and Raman spectroscopy were performed to determine the influence of the nature of the ionic liquids studied and of different parameters such as temperature and pressure on the reaction. Molecular modeling using DFT method has helped us to propose a reaction mechanism consistent with the experimental results and to understand what are the respective roles of the anion and cation of the ionic liquid in the reaction.

L'objectif de ce travail est de comprendre la structure et les interactions des liquides ioniques au contact de surfaces métalliques à l’échelle moléculaire en ayant recours aux méthodes de dynamique moléculaire. Il s’agit également d’étudier l’impact de ces caractéristiques microscopiques sur les propriétés tribologiques du système. Les liquides ioniques choisis en tant qu‘huiles lubrifiantes potentielles présentent des propriétés biodégradables et des caractéristiques tribologiques appropriées. Ils reposent sur des cations alkylammonium combinés avec des anions alkylsulfonate et bistriflamide. Notre étude est structurée en quatre parties. Elle commence par l’analyse des liquides ioniques purs puis, des liquides ioniques confinés entre deux surfaces de fer à l’équilibre et sous cisaillement, et enfin, en présence d’eau. Les propriétés structurales et dynamiques des liquides ioniques sont étudiées à travers la fonction de distribution radiale et les coefficients d’auto-diffusion. L’organisation des charges ainsi que la formation de micro-domaines en solution sont étudiées conjointement au comportement diffusif des espèces ioniques. Un champ de forces atomique, basé sur des méthodes quantiques, a été développé pour modéliser les interactions entre les liquides ioniques et la surface métallique. Des calculs DFT ont été réalisés sur des fragments de liquides ioniques en interaction avec un cluster de fer en fonction de la distance et de leur orientation. Une fonction modélisant des interactions site-site a été ajustée aux valeurs d’énergies fragment–cluster calculées par DFT afin d’obtenir les paramètres du champ de forces. Finalement, la polarisation du métal par les ions a été prise en compte en utilisant un modèle de dipôles induits afin de reproduire l’énergie d’interaction entre les charges et la surface conductrice. Avec ce modèle d’interaction, les simulations de dynamique moléculaire ont permis d’étudier la structure de l’interface entre une surface de fer plane et différents liquides ioniques. Cette analyse s’est concentrée sur l’étude du positionnement des différentes espèces au niveau de la surface, sur l’orientation des chaines alkyles et sur les profils de densité de charge. Des simulations de dynamique moléculaire hors-équilibre de liquides ioniques en interaction avec des surfaces de fer ont été réalisées en utilisant le champ de forces développé précédemment. Un protocole de simulation, basé sur une définition locale de la pression, a été développé pour prédire de manière quantitative le coefficient de friction en fonction de la valeur de la charge et du taux de cisaillement. La dépendance de la friction avec la charge, la vitesse de cisaillement, la topologie de la surface et la taille de la chaine alkyle du liquide ionique a été étudiée. La variation des forces de friction s’explique par l’arrangement spécifique des ions et l’orientation des groupements du liquide ionique à proximité de la surface. Finalement, l’effet de la présence d’eau en petite quantité dans une solution de liquide ionique a aussi été étudié à l’équilibre et hors-équilibre. Un potentiel a été construit pour décrire les interactions entre l’eau et une surface de fer en utilisant la même approche que celle décrite précédemment. Des résultats préliminaires concernant la structure de l’interface liquide-métal et la valeur du coefficient de friction ont été présentés et comparés avec ceux obtenus pour les liquides ioniques purs. / The aim of the present work is to understand at the molecular level the structure and interactions of ionic liquids at metallic surfaces, using molecular dynamics simulations, and to investigate the impact that these microscopic features can have in the tribological properties of the system. The chosen ionic liquids as potential lubricant oils present suitable ecotoxic and biodegradable properties and appropriate tribological characteristics. They are based in alkylammonium cations combined with alkylsulfonate and bistriflamide anions. Our study is divided in four parts, starting from the analyses of pure ionic liquids solutions and evolving to systems of ionic liquids confined between surfaces of iron, at the equilibrium, under shear and also in the presence of water. Structural and dynamic properties of ionic liquids are investigated in terms of the site-site radial distribution functions and the self-diffusion coefficients. The presence of charge-ordering and the formation of micro-domains in solution are discussed, as well as the diffusive behavior of the ionic species. An atomistic force field for ionic liquids interacting with a metal surface was built based on quantum methods. Density functional calculations of alkylammonium cations, alkylsulfonate and bistriflamide anions interacting with a cluster of iron atoms are performed, at a series of distances and orientations. A site-site potential function was then adjusted to the DFT interactions energies, to obtain the force field parameters. Finally, the polarization of the metal by the ions was taken into account using induced dipoles to reproduce the interaction energy between charges and a conductor surface. Using this interaction model, molecular dynamics simulations were performed to study the structure of the interfacial layer of several ionic liquids at a flat iron surface, including analyses of the positional and orientational ordering of the ions near the surface, and charge density profiles. Non-equilibrium molecular dynamics simulations of ionic liquids interacting with iron surfaces were carried out using the specific set of interaction parameters developed previously. A procedure was developed for a quantitative prediction of the friction coefficient at different loads and shear rates, based in a definition of pressure measured locally. The dependence of friction on the load, shear velocity, surface topology and length of alkyl side chains in the ionic liquid was investigated. The changes in the frictional forces were explained in terms of the specific arrangements and orientations of groups forming the ionic liquid at the vicinity of the surface. Finally, the effect of the presence of water in a small quantity in an ionic liquid solution is also studied at equilibrium and non-equilibrium. An interaction potential was build that describes the interaction between water and an iron surface, using the same approach described previously. Preliminary results are presented on the structure at the metal–liquid interface and friction coefficient, and compared with the pure ionic liquids.

Ce projet de thèse porte sur la recherche de nouveaux électrolytes et additifs dans le but d’améliorer la cyclabilité d’une électrode négative composite de formule Si0.32Ni0.14Sn0.17Al0.04C0.35 et d’obtenir une interface électrode|électrolyte stable. En effet, comme la plupart des matériaux à base de silicium, ce composite de grande capacité (plus de 600 mA.h.g-1) souffre actuellement d’une faible durée de vie provenant essentiellement des expansions volumiques qu’il subit lors de sa lithiation et de sa SEI défaillante. Deux types d'électrolytes ont été évalués : (i) un mélange de carbonates d’alkyles EC/PC/3DMC auquel a été ajouté un sel de lithium (LiPF6, LiTFSI, LiFSI ou LiDFOB) ainsi que des additifs aidant à la formation de la SEI tels que le carbonate de vinylène (VC) ou le carbonate de fluoroéthylène (FEC), (ii) des liquides ioniques (LI) contenant un cation ammonium quaternaire (N1114+), imidazolium (EMI+) ou pyrrolidinium (PYR+), associé à un anion à charge délocalisée comme le bis(trifluorométhanesulfonyl)amidure (TFSI-) ou le bis(fluorosulfonyl)amidure (FSI-). L’analyse du diagramme d’ionicité de Walden a permis de mettre en évidence la bonne dissociation de LiFSI et LiPF6 dans EC/PC/3DMC assurant ainsi des conductivités ioniques supérieures à 12 mS.cm-1. Bien que possédant des propriétés de transport a priori moins intéressantes dans ce mélange ternaire que les autres sels, LiDFOB forme en réduction une SEI permettant au composite de fournir les meilleures performances en cyclage sans additif avec 560 mA.h.g-1 pour un rendement coulombique de 98,4%. L’ajout d’additif est cependant nécessaire pour atteindre les objectifs fixés par le projet en termes de rendement coulombique (>99,5%). Dans ce cas, l’ajout de 2%VC+10%FEC au mélange ternaire est le plus intéressant avec LiPF6. Le matériau fourni ainsi des capacités de 550 mA.h.g-1 durant une centaine de cycles à un régime de C/5 avec un rendement coulombique de 99,8%. En milieu LI, les performances optimales sont atteintes avec le [EMI][FSI] et 1 mol.L-1 de LiFSI. Le composite atteint alors une capacité de 635 mA.h.g-1 durant 100 cycles à un régime de C/5 avec un rendement coulombique très proche de 100%, tout en s’affranchissant de l’ajout d’additifs. Malgré une viscosité bien plus élevée que celles des mélanges de carbonates d’alkyles, cette formulation permet de générer une SEI plus stable dont la nature, principalement minérale, est issue majoritairement des produits de réduction de FSI-. / This study focuses on new electrolytes and additives in order to improve the cyclability of a Si0.32Ni0.14Sn0.17Al0.04C0.35 negative composite electrode (Si-Sn) and to obtain a stable electrolyte|electrolyte interface. Indeed, like most silicon-based materials, this high-capacity Si-Sn composite (over 600 mA.hg-1) currently suffers from a short cycle life due to volume expansion during charge-discharge processes leading to the degradation of the SEI. To improve the quality of the interface, two kinds of electrolytes were evaluated: (i) mixtures of alkyl carbonates EC/PC/3DMC in which a lithium salt (LiPF6, LiTFSI, LiFSI or LiDFOB) and additives like SEI builder (vinylene carbonate (VC) or fluoroethylene carbonate (FEC)) were added, (ii) ionic liquids (IL) based on quaternary ammonium (N1114+), imidazolium (EMI+) or pyrrolidinium (PYR+) cation, associated with delocalized charge anions such as bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI-) or bis(fluorosulfonyl)imide (FSI-). The Walden diagram confirms the efficient dissociation of LiFSI and LiPF6 in EC/PC/3DM ensuring ionic conductivities as high as 12 mS.cm-1. Although possessing limited transport properties in such a ternary mixture compared to other salts, LiDFOB forms, without additional additives, an high quality SEI allowing the composite to provide the best performances in half cells (560 mA.hg-1 and 98.4% coulombic efficiency). The use of additive is however necessary to reach the objectives fixed by the ANR research project in terms of coulombic efficiency (>99.5%). In this case, the addition of 2%VC+10%FEC to the ternary mixture is the most interesting composition with LiPF6 as lithium salt. So, the Si-Sn nanocomposite material reaches 550 mA.h.g-1 during 100 cycles at C/5 with 99.8% efficiency. In IL, the best performances are achieved in [EMI][FSI]/LiFSI (1 mol.L-1). The performances of the Si-Sn composite reaches 635 mA.h.g-1 for 100 cycles at C/5 with coulombic efficiency close to 100%, without additives. This electrolyte formulation generates a stable SEI which the mainly mineral composition, is predominantly derived from the reduction products of FSI-.

L'un des principaux domaines de recherche en chimie et en ingénierie chimique implique l'utilisation de liquides ioniques et de nanomatériaux comme alternatives à de nombreux produits chimiques et processus chimiques, comme ce dernier étant actuellement considérés comme non respectueux de l'environnement. Leur utilisation potentiel comme nouveaux fluides de transfert de chaleur et matériaux de stockage de chaleur, qui peuvent obéir à la plupart des principes de la chimie verte, nécessite l'étude expérimentale et théorique des mécanismes de transfert de chaleur dans les fluides complexes comme les ionanofluides. Le but de cette thèse était d'étudier les ionanofluides, qui consistent en la dispersion de nanomatériaux dans un liquide ionique.Le premier objectif de ce travail était de mesurer les propriétés thermophysiques des liquides ioniques et ionanofluides, à savoir la conductivité thermique, la viscosité, la densité et la capacité thermique dans une gamme de température comprise entre -10 et 150 ºC et à pression atmosphérique. Dans ce sens, les propriétés thermophysiques d'un ensemble considérable de liquides ioniques et d'ionanofluides ont été mesurées, avec un accent particulier sur la conductivité thermique des fluides. Les liquides ioniques étudiés étaient [C2mim][EtSO4], [C4mim][(CF3SO2)2N], [C2mim][N(CN)2], [C4mim][N(CN)2], [C4mpyr][N(CN)2], [C2mim][SCN], [C4mim][SCN], [C2mim][C(CN)3], [C4mim][C(CN)3], [P66614][N(CN)2], [P66614][Br] et leurs suspensions avec 0.5% et 1% w/w de nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs - de l'anglais multi-walled carbon nanotubes). Les résultats obtenus montrent qu'il y a une augmentation substantielle de la conductivité thermique du fluide de base due à la suspension du nanomatériau, en considérant les deux fractions massiques. Cependant, l'amélioration varie de manière significative lorsqu'on considère différents liquides ioniques de base, avec une gamme comprise entre 2 et 30%, avec une température croissante. Ce fait rend plus difficile l'unification des informations obtenues afin d'obtenir un modèle permettant de prédire l'amélioration de la conductivité thermique. Les modèles actuellement utilisé pour calculer la conductivité thermique des nanofluides présentent des valeurs considérablement sous-estimées par rapport aux valeurs expérimentales, en partie à cause des considérations sur le rôle de l'interface solide-liquide sur le transport de la chaleur.En ce qui concerne la densité, l'impact de l'ajout de MWCNTs sur la densité du fluide de base est très faible, variant entre 0.25% et 0.5% pour 0.5% w/w et 1% w/w MWCNTs, respectivement. Cela était assez attendu et est dû à la différence considérable de densité entre les deux types de matériaux. Cependant, la viscosité était la propriété pour laquelle les valeurs les plus élevées d' augmentation ont été vérifiées, allant de 28 à 245% pour les deux fractions massiques de MWCNT. La capacité calorifique était la seule des quatre propriétés mentionnées ci-dessus à ne pas être étudiée dans ce travail en raison de problèmes techniques avec le calorimètre à utiliser. Néanmoins, la quantité de données recueillies sur les propriétés thermophysiques restantes était extensif. On pense que ce dernier contribue de manière significative à une base de données croissante des propriétés des liquides ioniques et des ionanofluides, tandis que en fournissant un aperçu de la variation des propriétés obtenues à partir de la suspension de MWCNTs dans des liquides ioniques.(...) / One of the main areas of research in chemistry and chemical engineering involves the use of ionic liquids and nanomaterials as alternatives to many chemical products and chemical processes, as the latter are currently considered to be environmentally non-friendly. Their possible use as new heat transfer fluids and heat storage materials, which can obey to most principles of green chemistry or green processing, requires the experimental and theoretical study of the heat transfer mechanisms in complex fluids, like the ionanofluids.
It was the purpose of this dissertation to study ionanofluids, which consist on the dispersion of nanomaterials in an ionic liquid.The first objective of this work was to measure thermophysical properties of ionic liquids and ionanofluids, namely thermal conductivity, viscosity, density and heat capacity in a temperature range between -10 e 150 ºC 
and at atmospherical pressure. In this sense, the thermophysical properties of a considerable set of ionic liquids and ionanofluids were measured, with particular emphasis on the thermal conductivity of the fluids. The ionic liquids studied were [C2mim][EtSO4], [C4mim][(CF3SO2)2N], [C2mim][N(CN)2], [C4mim][N(CN)2], [C4mpyr][N(CN)2], [C2mim][SCN], [C4mim][SCN], [C2mim][C(CN)3], [C4mim][C(CN)3], [P66614][N(CN)2], [P66614][Br] and their suspensions with 0.5% and 1% w/w of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The results obtained show that there is a substantial enhancement of the thermal conductivity of the base fluid due to the suspension of the nanomaterial, considering both mass fractions. However, the enhancement varies significantly when considering different base ionic liquids, with a range between 2 to 30%, with increasing temperature. This fact makes it more difficult to unify the obtained information in order to obtain a model that allows predicting the enhancement of the thermal conductivity. Current models used to calculate the thermal conductivity of nanofluids present values that are considerably underestimated when compared to the experimental ones, somewhat due to the considerations on the role of the solid-liquid interface on heat transport.Considering density, the impact from the addition of MWCNTs on the base fluid’s density is very low, ranging between 0.25% and 0.5% for 0.5% w/w and 1% w/w MWCNTs, respectively. This was fairly expected and is due to the considerable difference in density between both types of materials. However, viscosity was the property for which the highest values of enhancement were verified, ranging between 28 and 245% in both mass fractions of MWCNTs. The heat capacity was the only of the four properties mentioned above not to be studied in this work due to technical issues with the calorimeter to be used. Nevertheless, the amount of data collected on the remainder thermophysical properties was extensive. It is believed that the latter contributes meaningfully to a growing database of ionic liquids and ionanofluids’ properties, while providing insight on the variation of said properties obtained from the suspension of MWCNTs in ionic liquids.The second objective of this work consisted on the development of molecular interaction models between ionic liquids and highly conductive nanomaterials, such as carbon nanotubes and graphene sheets. These models were constructed based on quantum calculations of the interaction energy between the ions and a cluster, providing interaction potentials. Once these models were obtained, a second stage on this computational approach entailed to simulate, by Molecular Dynamics methods, the interface nanomaterial/ionic liquid, in order to understand the specific interparticle/molecular interactions and their contribution to the heat transfer. This would allow to study both structural properties, such as the ordering of the ionic fluid at the interface, and dynamic ones, such as residence times and diffusion. (...)

Les mécanismes d’électrodéposition réalisés à partir d'électrolytes à base de liquides ioniques ne sont pas très bien compris en raison de l’organisation structurale complexe de ces électrolytes. Dans cette thèse, nous étudions les relations qui existent entre la morphologie des films, les propriétés électrochimiques ainsi que la structure de l'électrolyte liquide ionique. Plusieurs solutions ont été étudiées: CuCl, CuCl2 et CuSO4 dans 1-éthyl-3-méthylimidazolium éthyl-sulfate [EMIM] [EtSO4]; AgTFSI, CuTFSI2 et AlTFSI3 en 1-éthyl-3-méthylimidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl)imide [EMIM] [TFSI]. Des mesures de cyclovoltammétrie montrent que les réductions de l’argent et du cuivre sont quasi-réversibles et se produisent par une réaction de transfert mono-électronique {(Ag (I) → Ag (0), (Cu (II) → Cu (I)) et (Cu (I) → Cu (0)}. La réduction de l'aluminium est irréversible. Les coefficients de diffusion augmentent avec la température de l'électrolyte et sont également influencés par l'état d'oxydation du métal et des anions en solution. Des films minces métalliques ont été obtenus pour toutes les solutions, sauf pour AlTFSI3. L'analyse par XRD et EDX montrent que les films sont cristallins et sont principalement constitués de cuivre ou d'argent pur. Leur morphologie est contrôlée par la température, du temps et du potentiel d’électrodéposition. D'une manière générale, l'élévation du temps de dépôt et de la température augmente la couverture du film et de la taille des particules, tandis que l'augmentation du potentiel de dépôt diminue la taille des particules. La structure des électrolytes a été étudiée par Raman et IR spectroscopies et interprétée à l’aide de méthodes théoriques de chimie quantique. Pour AgTFSI-[EMIM][TFSI], le cation d’argent est solvaté par trois anions TFSI-. Pour CuCl2-[EMIM][EtSO4], le cation de cuivre est solvaté par deux anions de chlore et deux anions EtSO4. / Deposition mechanisms from ionic liquid-based electrolytes are not fully understood due to difficulties in probing the electrolyte structure. In this study, we investigate the links between films morphology, electrochemical properties of the electrolyte and electrolyte structure. Several solutions were investigated: CuCl, CuCl2 and CuSO4 in 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulphate [EMIM][EtSO4]; AgTFSI, CuTFSI2 and AlTFSI3 in 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide [EMIM][TFSI]. Cyclic-voltammetry shows that silver and copper reductions are quasi-reversible and occur by one-electron transfer reaction {(Ag(I)→Ag(0), (Cu(II)→Cu(I)) and (Cu(I)→Cu(0)}. Aluminium reduction is irreversible. The diffusion coefficients increase with electrolyte temperature, and are also influenced by the metal oxidation state and anions in solution. Metallic thin films were obtained for all the solutions except AlTFSI3. XRD and EDX analysis show that the films are crystalline and consist mainly of pure copper or silver. Their morphology is controlled by the deposition temperature, time and potential. In general, increasing the deposition time and temperature increases the film coverage and particle size, whereas increasing the deposition potential decreases the particle size. The electrolytes structure was investigated by Raman and IR spectroscopies, supported by theoretical calculations. For the AgTFSI-[EMIM][TFSI], silver cation is solvated by three TFSI-. For the CuCl2-[EMIM][EtSO4], copper cation is solvated by two chlorines and two EtSO4-.

L’objectif de ce travail de thèse a été de développer l’ingénierie des polymères liquides ioniques(PILs) de type imidazolium ainsi qu’une nouvelle famille de copolymères à blocs apparentés.Des PILs type imidazolium ont été utilisés en tant que polymères réactifs pour la catalyse organique etla modification chimique par post-polymérisation. Divers composés (homopolymères, copolymèresstatistiques de type styrénique, polymères réticulés) stables à l'air, portant divers contre-anions (bromures,hydrogénocarbonates, carboxylates), ont été spécialement conçus via des stratégies de synthèserelativement simples. La génération de carbènes N-hétérocycliques supportés sur polymères (poly(NHC)s)a permis de comparer les performances catalytiques de tous ces précurseurs à travers des réactions deréférence de la catalyse organique. Spécifiquement, les copolymères statistiques type styrénique peuventégalement être fonctionnalisés de manière stoechiométrique par post-polymérisation avec différentssubstrats électrophiles (e.g. CS2, isothiocyanate, métaux de transition).Une nouvelle famille de copolymère à blocs contenant un bloc poly(acétate de vinyle) et un bloc detype poly(bromure de N-vinyl-3-alkylimidazolium), a été synthétisé par CMRP. La capacité de cescomposés à s'auto-assembler en diverses mésostructures en masse comme en solution a ensuite étédémontrée. Des mesures de conductivité ionique ont montré l’influence de la préparation des échantillonset des conditions de mesures sur les valeurs obtenues. Le comportement en solution par la réactivité ioniquedu bloc PIL et la modification chimique du bloc hydrophobe poly(acétate de vinyle) en hydrophilepoly(alcool vinylique) ont permis la formation de différentes nanostructures micellaires.Mots clés : Polymères liquides ioniques, Copolymères à blocs, Imidazolium, catalyse organique,Modification post-polymérisation, Auto-assemblage, Conductivité ionique, nanoparticules d’or. / The aim of this PhD work is to expand the scope of engineered imidazolium-based poly(ionicliquid)s (PILs) and their related PIL-block copolymers (PIL BCPs).The use of the imidazolium-based PILs as true reactive polymers for organocatalysis and post-chemicalmodification is first described. Miscellaneous air-stable PIL derivatives featuring various counter-anions(e.g. bromides, hydrogen carbonates, carboxylates), including homopolymers, statistical copolymers ofstyrenic-type and crosslinked copolymer networks have been specifically designed by relatively simplesynthetic strategies. The generation of related polymer-supported N-heterocyclic carbenes, poly(NHC)s,enables comparing the catalytic performances in selected organocatalyzed reactions. Specific polystyrenebasedcoPILs can be also stoichiometrically derivatized by post-chemical modification using variouselectrophilic substrates (e.g. CS2, isothiocyanate, transition metals).A novel family of imidazolium-based PIL BCPs, namely poly(vinyl acetate)-b-poly(N-vinyl-3-alkylimidazolium bromide)s synthesized by CMRP, is then described. The ability of these compounds toself-assemble into various types of mesostructures in bulk or in solution has been demonstrated. Ionicconductivity measurements evidenced the influence of sample preparation and measurement conditions.The behavior in solution evidenced via the ionic responsiveness of the PIL block but also by post-chemicalmodification of the hydrophobic poly(vinyl acetate) block into hydrophilic poly(vinyl alcohol) theformation of various micelle-like nanostructures.Keywords: Poly(ionic liquid)s, Block copolymers, Imidazolium, Organocatalysis, Post-polymerizationmodification, Self-assembly, Ionic conductivity, Gold nanoparticles / El objetivo de esta tesis fue el desarrollo de polímeros de ingeniería iónicoslíquidos (pils) y tipo imidazolio una nueva familia de copolímeros de bloques relacionados.Lager tipo imidazolio fueron utilizados como reactivos para la catálisis orgánica ymodificación química de polímeros después de la polimerización. Varios compuestos(homopolímeros, copolímeros aleatorios de tipo estireno, polímeros reticulados) estable en elaire, contra de la realización diversos aniones (bromuros, bicarbonatos, carboxilatos), hansido especialmente diseñadas utilizando estrategias de síntesis relativamente simple. Se utilizóla generación de carbenos N-heterocíclicos soportado sobre polímeros (poli (NHC) s) paracomparar el rendimiento catalítico de estos precursores de referencia a través de reacciones decatálisis orgánica. Específicamente, los copolímeros de tipo estireno también se puedenfuncionalizar sustratos por polimerización posterior estequiométricamente con diferenteselectrófilos (por ejemplo, metales CS2, isotiocianato, de transición).Una nueva familia de copolímero de bloque que contiene un poli (acetato de vinilo) y unbloque de poli (bromuro de N-vinil-3-alquilimidazolio) se sintetizó en CMRP. La capacidadde estos compuestos a auto-ensamblan en varias mesoestructuras como entonces se demostrósolución en masa. Mediciones de conductividad iónica han demostrado la influencia de lascondiciones de preparación y medición de la muestra en los valores obtenidos. Elcomportamiento en solución por el bloque PIL reactividad de iones, y la modificaciónquímica del bloque hidrófobo de poli (acetato de vinilo) hidrófilo poli (alcohol vinílico)permitió la formación de nanoestructuras diferentes micelares.Palabras clave: polímeros líquidos iónicos, copolímeros de bloque, imidazolio, catálisisorgánica, Cambiar post-polimerización, auto-ensamblaje, conductividad iónica, lasnanopartículas de oro.

La multiplication des besoins des utilisateurs dans le domaine des télécommunications a conduit à une surexploitation du spectre de fréquence. Ceci a engendré la raréfaction des bandes de fréquence conduisant à une nécessité de gestion rationnelle des fréquences. Des contraintes ont été rajoutées aux systèmes d'émission / réception et en particulier sur les filtres pour éviter la saturation des services. Dans cette thèse, les travaux s'orientent surtout vers la conception de résonateurs, de filtres planaires et volumiques (3D) accordables dans le domaine des fréquences millimétriques (>= 30 GHz) en utilisant une nouvelle technique d'accordabilité basée sur des principes microfluidiques. Il s'agit d'une nouvelle approche d'agilité qui consiste à faire circuler de la matière (liquides conducteur, diélectrique ou magnétique) dans un substrat diélectrique par le biais de micro canaux. Le substrat diélectrique utilisé, est une résine SU-8 qui offre une souplesse dans la réalisation des micros canaux et des structures volumiques grâce à son bon facteur de forme (≈ 50%). La circulation de liquides dans le substrat, permet de modifier localement les propriétés électromagnétiques du milieu, ce qui conduit à une modification de la fréquence de résonance du dispositif.