L'objectif de ce travail est de développer un système catalytique hétérogène pour l'époxydation en utilisant directement O2 de l'air plutôt que H2O2 commercial. La stratégie adoptée a été de coupler la production in situ de H2O2, catalysée par la glucose oxydase (GOx), avec un catalyseur à base de Ti. La GOx a été immobilisée de manière covalente sur une mousse silicique mesocellulaire (MCF) amino-fonctionnalisée puis la stabilité thermique et aux solvants organiques de MCF-NH2-GOx a été étudiée. L'approche visant à ancrer Ti puis la GOx sur le même support n’a pas abouti à un catalyseur tandem efficace du fait d'un recouvrement de Ti par –NH2. L’hydrophilie de MCF apparaît, de plus, défavoriser l'oxydation d'alcènes organosolubles. Une option a consisté à utiliser la zéolithe TS-1 hydrophobe et réputée fonctionner en milieu aqueux mais dont les micropores ne peuvent loger la GOx. Cette dernière, associée à MCF-NH2-GOx en mélange mécanique, s’est montrée performante pour l'oxydation du cyclohexène dans MeOH/tampon acétate 50:50 à 35°C (rendement de 50% en époxyde et ses dérivés). D’encore meilleurs résultats ont été obtenus pour le prop-2-ène-1-ol en milieu aqueux à 40°C (rendement de 87% en glycérol). L’attaque basique de TS-1 crée une porosité suffisante pour loger la GOx, mais endommage son activité. En revanche, le recouvrement de MCF par un film de TS-1 a eu un effet bénéfique sur l’oxydation du prop-2-ène-1-ol dans l’eau par H2O2. Enfin, la porphyrine Mn-TCPP s’est montrée efficace comme catalyseur d'oxydation en tandem avec la GOx en solution mais, en cas d’immobilisation sur le support silicique MCF, la formation d’un précipité inhibe son activité. / The objective of this work was to develop an heterogeneous catalyst system supplied by dioxygen, rather than commercial H2O2, in order to carry out epoxidation reactions. Our strategy was to couple the in situ production of H2O2, catalyzed by glucose oxidase (GOx), with a Ti-based catalyst. The enzyme was covalently grafted onto a silicic mesocellular foam (MCF) functionalized by aminopropyle groups, then the thermal stability and behavior in organic solvents of the resulting material were investigated. The approach aiming at anchoring Ti, then GOx on the same support did not result in an effective tandem catalyst because of a too high –NH2 surface coverage. Hydrophilicity of MCF makes the oxidation of organosoluble alkenes unefficient. An alternative approach consisted in using the hydrophobic TS-1 zeolite known to operate in aqueous medium but whose micropores do not allow GOx hosting. However, TS-1 combined in a mechanical mixture with GOX immobilized on MCF turned out to be effective for the oxidation of cyclohexene in MeOH/acetate buffer 50:50 at 35°C (50% yield of epoxide and its derivatives). Even better performances were obtained for prop-2-ene-1-ol oxidation in aqueous medium at 40°C (87 % yield of glycerol). The basic attack of TS-1 has created mesoporosity to host GOx but damaged active Ti sites. On the other hand, TS-1 coated MCF appeared to be a good option having a beneficial effect on the oxidation of prop-2-en-1-ol in water by H2O2. Finally, a manganese porphyrin, Mn-TCPP, was also tested successfully as alkene oxidation catalyst in combination with GOx but, in case of immobilization, the presence of the silicate support lead to a deactivated catalyst.

Dans ce travail, les propriétés des oxydes de titane mésoporeux organisés ont été étudiées en détail. La synthèse de ces matériaux a été mise au point auparavant au laboratoire à l’aide d’une méthode combinant le mécanisme transcriptif à partir des cristaux liquides du copolymère bloc P123 et la méthode EISA. Tout d’abord, une optimisation des conditions d’élimination du tensioactif a été effectuée en testant des méthodes d’extraction à partir de solvant et des méthodes thermiques. L’élimination du P123 par l’eau suivie d’un rinçage à l’acétone est efficace, simple et rapide et en même temps favorise la formation de la phase anatase du TiO2. Par contre, les propriétés photocatalytiques de ces TiO2 extraits à l’eau sont médiocres et ne sont améliorées qu’après calcination. En combinant une extraction du P123 à l’eau avec une calcination les oxydes de titane mésoporeux possédent une meilleure activité photocatalytique que celle de l’anatase commercial. Dans un second temps l’incorporation du zinc et du tungstène dans les TiO2 mésoporeux organisés a été investie dans le but d’améliorer leur activité photocatalytique. L’introduction de faibles quantités de zinc (<10% mol) augmente la surface spécifique ; au-delà la mésostructuration est perdue. L’incorporation du tungstène dans le TiO2 mésoporeux n’a pas d’influence sur l’organisation des mésopores, mais des agrégats de WO3 orthorhombique coexistent avec le réseau mésoporeux de TiO2 anatase. Même si la présence d’oxyde de zinc ou de tungstène dans la matrice TiO2 mésoporeux diminue bien l’énergie bandgap, l’activité photocatalytique ne s’en trouve pas améliorée. D’autre part, la synthèse de matériaux à porosité bimodale, en utilisant deux systèmes mixtes de tensioactifs hydrogéné/fluoré, CTABr/RF8(EO)9 et P123/ RF8(EO)9, a été explorée. Sur la base des diagrammes de phase de ces deux systèmes dans l’eau, les solutions micellaires et les cristaux liquides ont été investis pour préparer des silices mésoporeuses en utilisant les deux mécanismes CTM et LCT. Quand le CTABr est présent une seule taille de pores dans le domaine mésoporeux est observée, toutefois il est possible qu’une bimodalité de type micro-mésopores existe. Par contre, l’utilisation de la phase hexagonale du système P123/RF8(EO)9 permet d’obtenir des matériaux à deux tailles de pores distincts dans le domaine mésoporeux. / In this work we will study in detail the properties of the mesoporous TiO2 materials, for which the preparation was developed previously via a method combining Liquid Crystal Templating (LCT) and EISA mechanisms, using P123 as template. We have tested, in the first time, extraction and thermal methods efficiency to eliminate surfactant in order to optimize the P123 elimination step. Removal of P123 using water followed by washing with acetone is effective, easy and promotes the formation of the anatase phase of TiO2. Otherwise, the photocatalytic properties of the obtained TiO2 are not important and can be improved after calcination. Combining extraction using water and calcination give rise to mesoporous TiO2 with better photocatalytic activity than that of commercial anatase. The incorporation of zinc and tungsten in the mesoporous well-ordered TiO2 has been investigated in the third time, in order to improve their photocatalytic activity. The introduction of small amounts of zinc (<10 mol%) increases the surface area; beyond this amount the mesostructure is lost. The incorporation of tungsten in the mesoporous TiO2 does not affect the mesopores organization, and orthorhombic WO3 aggregates are formed beside the mesoporous network of anatase TiO2. Although, the presence of zinc or tungsten oxides in the matrix decreases the bandgap of mesoporous TiO2, the photocatalytic activity is not improved. In the third time, the synthesis of bimodal porosity materials, using a mixed surfactant systems hydrogenated/fluorinated, CTABr/RF8(EO)9 and P123/RF8(EO)9, was explored. Based on the phase diagrams of these two systems in water, micellar solutions and liquid crystals have been investigated to prepare mesoporous silicas using two mechanisms CTM and LCT. When CTABr is present, pores of one size in the mesoporous range are observed, however, it is possible that bimodal type micro-mesopores exist. The use of the hexagonal liquid crystal phase of P123/RF8(EO)9 provides two separate pore sizes materials in the mesoporous range.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique de la préparation et l'intégration des matériaux diélectriques poreux à très faible permittivité (ULK) dans les interconnexions des puces microélectroniques. Cette étude porte sur le développement de couches minces hydrophobes ULK à porosité organisée et isolée, préparées par voies sol-gel et PECVD. Elle vise une amélioration des propriétés mécaniques et une diminution de la diffusion de polluants au cœur des films. Des matériaux hydrophobes mésostructurés et ULK (k < 2,2) ont ainsi été obtenus par voie sol-gel, après retrait d'un porogène par traitement thermique, ou pour la première fois sous UV. Les caractéristiques mésostructurales et microstructurales des couches ont été reliées aux caractéristiques de porosité et aux propriétés mécaniques. Les mesures électriques et de perméation de gaz de ces matériaux sont également discutées en vue de leurs applications en tant que matériaux ULK ou comme membranes de séparation de gaz. En PECVD, des matériaux polymère plasma à base de styrène ont été synthétisés et également caractérisés en termes de propriétés mécaniques et de séparation de gaz. / This thesis is dealing with the challenging preparation and integration of porous dielectric materials with ultra low permittivity (ULK) for interconnections in microelectronic devices. This study focuses on synthesis of hydrophobic ULK thin layers with ordered and isolated porosity obtained by sol-gel. An improvement in mechanical properties and a decrease of the impurities migration in the heart of the bulk are expected. Hydrophobic and mesostructured ULK (k < 2.2) materials have been obtained by sol-gel after removal of porogen mesophases by thermal treatment and for the first time under UV irradiation. Mesostructural and microstructural properties of the layers were discussed with regard to the porosity and mechanical properties. The electrical and gas permeation measurements were also discussed in the framework of their possible applications as ULK materials and gas separation membranes, respectively. Using PECVD, styrene-based polymers, have been synthesized and also characterized in terms of mechanical and gas separation properties.

Les nanoparticules de silice mésoporeuses (MSNs) sont utilisées de plus en plus pour des applications d’imagerie médicale et d’élution de médicament. Bien qu’elles ne soient pas encore approuvées pour la clinique, ces produits font actuellement l’objet de plusieurs études précliniques. En particulier, notre groupe de recherche a démontré que les nanoparticules de silice poreuses marquées d’éléments paramagnétiques sont des agents de contraste efficaces en imagerie par résonance magnétique (IRM). La porosité ouverte de ces produits offre des pistes intéressantes pour des applications de livraison de médicament sous imagerie médicale. Ce projet de maîtrise porte plus particulièrement sur la préparation des particules de silice mésoporeuses marquées d’éléments paramagnétiques, en vue d’applications en imagerie cellulaire, et en imagerie vasculaire. Dans un premier temps, la possibilité de marquer des particules de silice au moyen d’un élément paramagnétique (Mn) a été démontrée. Ces produits ont fait l’objet d’une étude de caractérisation physico-chimique, et d’une étude de marquage cellulaire. Il a été démontré que les nanoparticules Mn-MSNs internalisées dans des cellules leucémiques de souris sont visibles en IRM. Or, avant traitement des cellules, tout comme pour la préparation d’une suspension de MSNs pour une injection intravasculaire, il est nécessaire de purifier les nanoparticules de la présence d’ions métalliques potentiellement toxiques (Gd3+, Mn2+, utilisés pour le marquage des nanoparticules et la visibilité en IRM). Afin de faciliter la purification des nanoparticules par une technique rapide, une méthode de chromatographie par exclusion stérique a été développée, optimisée et appliquée à une procédure de marquage de MSNs au moyen d’ions paramagnétiques (Gd3+) et radioactifs (64Cu2+). Le développement de cette technique a été essentiel pour purifier les MSNs, qui ont ensuite été injectées dans des souris, et visualisées en IRM et en tomographie par émission de positons (TEP). Ces études ont permis de mesurer la biodistribution des particules de MSNs sur 48 h. Ce projet a également permis de démontrer que les biodistribution dynamiques sous TEP permettront de mieux comprendre la biodistribution, la rétention aux organes, et l’excrétion des nanoparticules de MSNs développées comme potentiel agent de vectorisation de médicaments. / Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) are increasingly used in medical imaging and drug delivery applications. They are still not approved for the clinic; however, these products have been used in several preclinical studies, and are being evaluated for clinical trials. Our group demonstrated that MSNs labeled with paramagnetic elements are efficient as contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). The open porosity of these products leads to interesting applications for drug delivery under medical imaging. This master’s degree project has focused on the preparation of MSNs labeled with paramagnetic elements, for applications in cellular imaging, and vascular imaging. First, MSNs labeled with paramagnetic element (Mn) were used to label and to visualize cells in MRI. These products were subjected to a physico-chemical characterization study, and a cellular labelling study. It was demonstrated that Mn-MSNs nanoparticles internalized in leukaemia mouse cells are visible using MRI. However, before cells treatment, just like for the preparation of MSNs suspension for intravascular injection, it is necessary to purify nanoparticles from the potentially toxic paramagnetic metal ions (Gd3+, Mn2+). To facilitate and accelerate the purification time, a size exclusion chromatography method was developed, optimized and applied to MSNs labelled with paramagnetic (Gd3+) and radioactive (64Cu2+) ions. The development of this technique was essential to purify MSNs from both Gd3+ and 64Cu2+, which were then injected in mice, and visualized with MRI and positron emission tomography (PET). These studies have made it possible to measure the biodistribution of MSN over 48 h in the mouse model. PET dynamic biodistributions studies allow a better understanding of biodistribution, organ retention, and excretion of MSNs nanoparticles developed as potential drug vectors.

Les allotropes de carbone sont des matériaux très polyvalents qui sont étudiés par la communauté scientifique depuis plusieurs décennies. Depuis la découverte des fullerènes, des nanotubes et du graphène, une grande part de la recherche scientifique s’est concentrée sur ces matériaux à cause de leurs caractéristiques uniques. En effet, le carbone a le potentiel d’être utilisé dans une foule d’applications. Sa stabilité chimique et sa conductivité thermique, de même que sa conductivité électrique, expliquent le grand intérêt de la communauté scientifique pour ce type de matériaux. La silice structurée est intéressante pour l’adsorption de divers produits puisqu’il est possible d’en modifier simplement la surface avec des ligands adaptés pour l’application voulue. Au cours des dernières années, des recherches ont été réalisées pour la séparation et l’extraction des terres rares (TRs). En effet, il a été démontré que l’utilisation de silice modifiée avec un ligand de type amide diglycolic mène à de meilleurs résultats qu’une résine commerciale pour la séparation des terres rares. En revanche, la silice ne possède pas la stabilité chimique à des pH acide (<4) nécessaire pour les applications industrielles. Le carbone mésoporeux est une bonne alternative pour obtenir un adsorbant solide pour l’extraction des TRs. Cette forme de carbone nanostructurée est un matériau intéressant pour l’adsorption de composé puisqu’elle possède à la fois une grande surface spécifique et une excellente stabilité chimique. Ces caractéristiques en font un matériau qui pourrait être bien adapté pour les extractions au niveau industriel. Ce mémoire porte sur la modification de surface de carbone mésoporeux pour l’extraction sélective des TRs et leur application à des pH acides. Les différentes structures de carbone poreux (CMK-3, CMK-5, CMK-8, etc…) ont été synthétisées, modifiées par des ligands sélectifs pour les TRs et leurs comportements pour la sélectivité et l’extraction des TRs. Le développement de ces supports est intéressant dans la perspective du développement durable et des technologies vertes en milieu industriel. En effet, ce type de matériaux très stables offre un grand potentiel industriel. En effet, il serait théoriquement possible de les réutiliser de nombreuses fois, ce qui entrainerait une diminution des quantités de matières premières et de déchets associés requises pour leurs synthèses. / Carbons allotropes have been under constant study for more than two decades. Ever since the discovery of fullerene, nanotube and graphene, the number of papers showing different synthesis route for their surface modification has been steadily increasing. Indeed, carbon has the potential to be a great support for a lot of applications. Carbon’s unique attributes for chemical resistance, thermal stability, thermal conductivity and high electrical conductivity explain the high interest of the scientific community for this material. Structured silica is useful for adsorption of various products since it is possible to simply modify its surface with ligands suitable for the desired application. Over the last few years, research has been conducted for the separation and extraction of rare earth elements (REEs). Indeed, it has been demonstrated that the modified silica with a diglycolic amide-type ligand obtained better results than the current commercial resin for the separation of rare earth elements. However, silica lack of chemical resistance to acidic pH (˂4) required for industrial applications is a major drawback for this material. The mesoporous carbon is a good alternative to be used as a solid adsorbent for extraction of REEs. This allotrope of carbon presents a large surface area as well as a greater chemical resistance which makes it better suited for industrial extractions. This research therefore focuses on the surface modification of mesoporous carbon for the selective extraction of REEs and their application to acidic pH. Different porous carbon structures (CMK-3, 5-CMK, CMK-8, etc.) were synthesized, modified by selective ligands for the REEs and behaviours for selectivity and extraction of REEs. The development of these materials is interesting in the context of sustainable development and green technologies in an industrial environment

Les effets liés à la présence d'eau liquide sur la capacité d'adsorption de CO₂ par une silice mésoporeuse de type SBA-15 fonctionnalisée au moyen des amines suivantes: aminopropyltrimethoxysilane (APS) et N-(2-aminoéthyl) -3 - (aminopropyl) trimethoxysilane (AEAPS) ont été examinés pour évaluer le potentiel de ce mode de contact dans des laveurs gaz-liquide-solide. Les résultats ont été comparés à la capacité d'adsorption de CO₂ des amines greffées dans des conditions humides et sèches ainsi qu'à la capacité d'absorption de CO₂ dans les systèmes gaz-liquide avec des solutions aqueuses d'aminés ayant des structures semblables à celles des amines greffées. Dans ces conditions, une estimation de l'adsorption physique de CO₂ a été obtenue par l'étude de la SB A-15 non-modifiée. En outre, afin d'évaluer l'efficacité et la stabilité à long terme de l'association amine/SBA-15, les amines greffées ont été soumises à huit cycles successifs d'immersion dans les milieux aqueux d'une durée de 24 h chacune. Les échantillons récupérés ont été caractérisés au moyen de la diffraction aux rayons, des isothermes de sorption d'azote et d'analyse élémentaire CHN. Jusqu'à 40% de la quantité d'aminés greffées a subi une lixiviation durant les quelques premiers cycles de régénération; par la suite, la teneur en azote de l'AEAPS est demeurée relativement stable, contrairement à l'APS qui a connu une moindre stabilité. Fait intéressant, les structures des deux matériaux greffés, APS et AEAPS, sont demeurées intactes après plusieurs expositions à l'eau. L'efficacité de capture de CO₂ la plus élevée a été obtenue dans le cas des amines aqueuses (voie homogène). Cependant, la capture de CO₂ à l'aide d'aminés greffées dans le cas du système triphasique (gaz-liquide-solide) a donné lieu, pour des conditions opératoires comparables, à des valeurs intermédiaires entre les voies sèche et humide du mode de contact gaz-solide.

Les biofilms bactériens sont composés d’organismes unicellulaires vivants au sein d’une matrice protectrice, formée de macromolécules naturelles. Des biofilms non désirés peuvent avoir un certain nombre de conséquences néfastes, par exemple la diminution du transfert de chaleur dans les échangeurs de chaleurs, l’obstruction de membranes poreuses, la contamination des surfaces coques de navires, etc. Par ailleurs, les bactéries pathogènes qui prolifèrent dans un biofilm posent également un danger pour la santé s’ils croissent sur des surfaces médicales synthétiques comme des implants biomédicaux, cathéters ou des lentilles de vue. De plus, la croissance sur le tissu naturel par certaines souches des bactéries peut être fatale, comme Pseudomonas aeruginosa dans les poumons. Cependant, la présence de biofilms reste difficile à traiter, car les bactéries sont protégées par une matrice extracellulaire. Pour tenter de remédier à ces problèmes, nous proposons de développer une surface antisalissure (antifouling) qui libère sur demande des agents antimicrobiens. La proximité et la disposition du système de relargage placé sous le biofilm, assureront une utilisation plus efficace des molécules antimicrobiennes et minimiseront les effets secondaires de ces dernières. Pour ce faire, nous envisageons l’utilisation d’une couche de particules de silice mésoporeuses comme agents de livraison d’agents antimicrobiens. Les nanoparticules de silice mésoporeuses (MSNs) ont démontré un fort potentiel pour la livraison ciblée d’agents thérapeutiques et bioactifs. Leur utilisation en nano médecine découle de leurs propriétés de porosité intéressantes, de la taille et de la forme ajustable de ces particules, de la chimie de leur surface et leur biocompatibilité. Ces propriétés offrent une flexibilité pour diverses applications. De plus, il est possible de les charger avec différentes molécules ou biomolécules (de tailles variées, allant de l’ibuprofène à l’ARN) et d’exercer un contrôle précis des paramètres d’adsorption et des cinétiques de relargage (désorption). Mots Clés : biofilms, nanoparticules de silice mésoporeuses, microfluidique, surface antisalissure. / Bacterial biofilms are composed of single-cell organisms living within a protective matrix formed from natural macromolecules. Unwanted biofilms may have a number of adverse consequences such as reducing heat transfer in heat exchangers, obstruction of porous membranes, surface contamination ships hulls etc. In addition, pathogenic bacteria growing in a biofilm also pose a health hazard when this kind of film is found attached to biomedical implants, catheters, or on contact lenses. The presence of biofilms is difficult to treat because the bacteria are highly resistant to antimicrobial agents. In an attempt to address these problems, we propose to develop an antifouling surface which releases on demand antimicrobial agents in the presence of a biofilm. The proximity and the positioning of the delivery system of bioactive agents under the biofilm will ensure a more efficient use of antimicrobial molecules and minimize side effects of the latter. To do this, we consider the use of layers of colloidal particles of meso-porous silica as delivery agents of antimicrobial agents. Mesoporous silica nanoparticles (NPS Ms) have demonstrated a strong potential for targeted delivery of therapeutic and bioactive agents. Their use in nanomedicine stems from their interesting properties of porosity, the size and the adjustable shape of these particles, their surface chemistry providing a great flexibility for various functionalizations. Moreover, it is possible to load them with various molecules or biomolecules (of various sizes, ranging from ibuprofen to RNA), and exert fine control of the adsorption parameters and release kinetics (desorption). These particles also demonstrate excellent biocompatibility in vitro and in vivo. Keywords : biofilm, mesoporous nanosilica particles, microfluidics, antifouling surfaces.

Les éléments terres rares (ETRs) sont un groupe de 17 métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium, l'yttrium, et les 15 lanthanides. Ces éléments sont indispensables à la production de nombreux appareils de haute technologie et incontournables dans le développement des énergies durables. Contrairement à ce que suggère leur appellation, les ETRs sont assez répandus dans la croûte terrestre, alors que leur extraction, à savoir l’extraction liquide-liquide (ELL), est extrêmement difficile, coûteuse et surtout polluante. Afin de fournir une alternative aux procédés industriels, les matériaux mésoporeux à base de silice ont été sollicités à titre d’adsorbant dans l’extraction sur phase solide. Ces matériaux structurés sont intéressants pour l’adsorption d’ETRs puisqu’il est possible d’en modifier simplement la surface avec des ligands adaptés pour l’application voulue. Dans cette thèse, deux séries de ligands à base de structure phthaloyl diamide (PA) et phenylenedioxy diamide (PDDA) ont été synthétisés et greffés sur la surface de matériaux mésoporeux à base de silice KIT-6. Il s’avère, aux vues des résultats obtenus, que ces adsorbants permettent d’extraire sélectivement les éléments de taille différente selon le bite angle du ligand greffé, tandis que la sélectivité n’a pas été observée pour ses analogues homogènes sous la condition de l’extraction liquide-liquide. En plus, les réseaux bimodaux monolithiques qui présentent simultanément des mésopores ainsi que des macropores (pores > 50 nm) sont avantageux, surtout pour l’extraction en conditions dynamiques (en colonne). Les mésopores permettent d’augmenter la surface spécifique du matériau ainsi la surface de contact entre l’agent actif et la solution. Les macropores, quant à eux, améliorent la capacité de transport des fluides, permettant d’éviter l’accumulation des produits et d’ainsi de bloquer les sites actifs. Dans cette étude, des monolithes à base de silice de taille de quelques centimètres ont été obtenus. Après la fonctionnalisation avec le ligand diglycolamide (DGA), les monolithes révèlent des profils de sélectivité exceptionnels envers le Th(IV) dans l’extraction en colonne. La technique concernant les matériaux à empreinte ionique rend possible une sélectivité spécifique. Dans ce cas-ci, la synthèse de matériaux a été réalisée par la co-condensation entre l’organosilane et le précurseur siliceux en présence d’ion Dy3+. Par la suite, la molécule empreinte est enlevée, laissant derrière elle les sites de liaisons et une cavité ayant la forme et la taille du Dy3+. Ainsi, les silices empreintes sont capables de séparer spécifiquement et sélectivement l’ion Dy3+. Dans tous les trois systèmes présentés ici, ces matériaux peuvent aussi être considérés comme étant intéressants pour les applications industrielles, tant en terme de la stabilité sous les conditions d’adsorption testées, que de la sélectivité et de la capacité d'adsorption envers les échantillons de déchets minéraux. / Rare Earth Elements (REE) are a group of 17 chemically similar metals that have gained an increasing importance over the past decades, due to their unique properties and many applications in high-tech products. The term “rare” is rather deceptive, since they are quite abundant in the Earth’s crust. However, their extraction and purification can be challenging, and the industrial extraction processes of REEs are often costly and environmentally hazardous. This thesis aims at developing a competitive solid-phase extraction system, based on functional porous silica materials, for the selective extraction of REEs in solution that can be industrially applied. In particular, ordered mesoporous silica (OMS) is a versatile platform that can offer large specific surface area, variety in material structures and morphologies, and stability under applied extraction conditions. Furthermore, the surface properties of OMS allow for easy functionalization with a variety of organic ligands, which largely influence the extraction performance of the sorbents. In this work, the OMS KIT-6 were functionalized by grafting two series of chelating ligands on the silica surface, i.e., preorganized bidentate phthaloyl diamide (PA) ligands and tetradentate phenylenedioxy diamide (PDDA) ligands. By fine-tuning of the bite angles of these chelating ligands, we successfully separated REEs into three categories based on their ionic radius. However, the use of small size particles as packing materials is often associated with a high backpressure of the column, thus limiting their industrial applicability in high flow-rate chromatography analysis. Therefore, the hierarchically structured silicas that contain both macropores (pore size > 50 nm) and mesopores are highly desirable. We report in this work a highly stable silica monolith exhibiting a bimodal, hierarchical macroporous-mesoporous structure for continuous column extraction. Upon grafting of diglycolyl amide (DGA) ligand, the applicability of the column was demonstrated by the removal of Th(IV) from two REE mineral leachates with largely enhanced kinetics and extraction capacity. Finally, in order to further improve the selectivity of sorbents, molecular recognition approach was applied to synthesize highly ordered ion imprinted mesoporous silica (IIMS) through co-condensation using a combination of molecular imprinting technology and traditional OMS, in which dysprosium ion was used as the template. After template removal, the IIMS showed attractive recognition capacity toward Dy3+ from mild acidic solution. Beside the excellent selectivity, in all the three proposed systems, the sorbents were also proven robust and were able to be regenerated for multiple cycle uses, further demonstrating their potential for industrial applications.

De nos jours, plus de 80% de l'industrie chimique est basée sur des processus catalytiques hétérogènes nous fournissant ainsi de l'énergie, des aliments, des médicaments, la protection des cultures et de nouveaux produits. Bien que la catalyse soit un domaine stratégique de la chimie, le niveau de compréhension de la catalyse hétérogène est quant à lui assez limité, surtout lorsqu'il est comparé à celui de la catalyse homogène. Dans le travail présenté, nous essayons d'élargir la connaissance des systèmes catalytiques hétérogènes basés sur la silice mésoporeuse hybride fonctionnalisée et de les analyser dans différents processus de chimie verte, spécialement ceux en rapport avec la capture et la transformation du CO2. Pour la capture du CO2, le concept bien connu des paires de Lewis frustrées a été appliqué à la silice mésoporeuse, avec pour résultat la première synthèse de paires d'acides et de bases de Lewis hétérogènes stables. Tout d'abord, la synthèse de la silice mésoporeuse Al-, Ti-, Zr-SBA-15 portant un caractère acide de Lewis très fort grâce à la réaction de silanols de surface avec des complexes métalliques homogènes est présentée. La capacité des matériaux à catalyser l'amidation directe d'amines pauvres en électrons et stériquement encombrées soutient la présence de centres métalliques acides de Lewis hautement actifs et de leur tolérance à l'eau. De plus, le développement de paires de Lewis frustrées solides à l’aide des silices mésoporeuses Al-, Ti- et Zr-SBA-15 est discuté. Une série de bases de Lewis classiques, tels que la diéthylènetriamine, les dérivés de la diphénylphosphine, la triéthylamine et le tétraméthylpipéridine sont greffées ou imprégnées sur la surface de Ti-, Al-, Zr-SBA-15 pour générer des paires acide-base de Lewis solides et stables à l’air. La préservation des deux propriétés acides et basiques est examinée après la formation des paires d’acide-base de Lewis solides. Une étude de leurs interactions avec le CO2 est effectuée à l’aide de la spectroscopie RMN à l’état solide et d’expériences d’adsorption de CO2, ce qui donne une nouvelle vision de leur applicabilité comme adsorbants solides du CO2. Une corrélation entre la force des couples acide-base de Lewis et l’affinité au CO2 est proposée sur la base du calcul de la chaleur isostérique d’adsorption. Pour la transformation du CO2, l'étude de l'effet de confinement dans les nanopores de silice et son application dans la cycloaddition catalytique du dioxyde de carbone aux époxydes est présentée. La synthèse d’adsorbants mésoporeux hybrides de CO2 avec les silices MCM-41 et SBA-15 est réalisée et les critères d'un système catalytique efficace sont définis et optimisés. Cela a pour résultat un nouveau catalyseur hétérogène très efficace, capable d'effectuer la transformation du dioxyde de carbone à température ambiante et à pression atmosphérique sans pré-activation chimique des matières de départ. / Nowadays over 80% of the chemical industry is based on heterogeneous catalytic processes supplying us with energy, aliments, medicines, crop protection, and new commodities. Even though catalysis remains a strategic field of chemistry, the level of understanding of heterogeneous catalysis is still quite limited, especially when compared to that of homogeneous catalysis. In the present work, we try to expand the knowledge of heterogeneous catalytic systems based on functionalized hybrid mesoporous silica and probe them in different green chemistry processes, especially in relation to the capture and transformation of CO2. For CO2 capture, the well-known concept of frustrated Lewis pairs is translated on the surface of mesoporous silica, resulting in the synthesis of stable heterogenized Lewis acid-base pairs. Firstly, the synthesis of Al-, Ti-, Zr-SBA-15 mesoporous silica carrying very strong Lewis acidic character through the reaction of surface silanol groups with homogeneous metallic complexes is presented. The ability of these materials to catalyse the direct amidation of electron-poor and bulky amines supports the presence of highly active Lewis acidic metallic centers and their water-tolerance. Furthermore, the development of solid supported frustrated Lewis pairs (sFLPs) using Al-, Ti-, Zr-SBA-15 mesoporous silica is discussed. A series of conventional Lewis bases, such as diethylenetriamine, diphenylphosphine derivatives, triethylamine, and tetramethylpiperidine are grafted or impregnated on the surface of Ti-, Al-, Zr-SBA-15 to generate air-stable solid-supported Lewis acid-base pairs. The preservation of both Lewis acidic and basic properties after the solid Lewis acid-base pairs are formed is examined. Study of their interactions with CO2 is performed using solid state NMR spectroscopy and CO2 adsorption experiments, which provides a new insight in their applicability as solid CO2 adsorbents. A correlation between the solid supported Lewis acid-base pair strength and the affinity to CO2 is proposed based on the calculation of isosteric heat of adsorption. For CO2 transformation, the study of confinement effect in silica nanopores and its application in catalytic cycloaddition of carbon dioxide to epoxides is presented. The synthesis of hybrid mesoporous adsorbents of CO2 on the base of MCM-41 and SBA-15 silica is performed and the criteria for an efficient catalytic system are defined and optimised, providing a novel and very efficient heterogeneous catalyst, capable of performing the transformation of carbon dioxide at room temperature under an atmospheric pressure without any chemical pre-activation of starting materials.

L'alkylat est un additif de choix de l'essence reformulée puisqu'il possède une densité énergétique et un indice d'octane élevés et que de plus sa combustion est propre et produit moins d'émissions. Les catalyseurs liquides commerciaux utilisés pour l'alkylation isobutane/N-butène créent des dangers significatifs pour l'environnement. De nombreux acides solides ont été essayés pour cette réaction. Aucun d'entre eux n'a connu un succès commercial en raison de la désactivation rapide du catalyseur. Cette désactivation est due à 1'adsorption préférentielle et au remplissage des pores par l'oléfine. C'est la raison pour laquelle l'application d'acides mésoporeux solides est d'intérêt. Dans cette thèse, une série de matériaux acides fonctionnalisés et mésostructurés ont été synthétisés. La force acide a pu être ajustée par l'immobilisation des groupes acides propyl-sulfoniques, arène-sulfoniques et perfluoroalkylsulfoniques. Le caractère hydrophile-hydrophobe de la surface a été ajusté par l'utilisation d'une organosilice ou par le recouvrement des OHs de la surface de la silice. Des matériaux ayant des réseaux de canaux à une dimension et à trois dimensions ont été synthétisés et comparés. Ces matériaux sont caractérisés généralement par l'analyse élémentaire, la volumétrie d'azote, le dosage acido-basique, la RMN MAS du ²⁹Si, FT-IR, TGA, SEM et TEM . Ce sont des matériaux mésostructurés typiques possédant des groupes acides immobilisés. L'alkylation de l'isobutane par le 1-butène a été effectuée sur les matériaux synthétisés. La force acide des catalyseurs est le facteur déterminant de l'activité d'alkylation. Les matériaux modifiés avec les groupes acides perfluoroalkylsulfoniques démontrent la meilleure activité catalytique. Les organosilices mésoporeuses fonctionnalisées acides de la silice silanisée, qui possèdent une surface hydrophobe, ont mieux performé que les catalyseurs ayant une surface hydrophile. Nous croyons que cette performance supérieure est le résultat d'une concentration élevée de la paraffine dans les pores. Les solides mésoporeux acides à réseaux tridimensionnels surpassent ceux à une dimension pour la conversion des butènes et la sélectivité en TMPs. La structure mésoporeuse à trois dimensions est capable de diffuser facilement les molécules et de résister à la désactivation par le colmatage des pores. Il est suggéré que les sites acides forts comme les groupes acides perfluoroalkylsulfoniques, la structure mésoporeuse à trois dimensions et la surface hydrophobe doivent être recherchés pour concevoir un catalyseur d'alkylation.