L'augmentation croissante de la demande en énergie et l'épuisement des combustibles fossiles exigent l'amélioration de l'efficacité de l'utilisation de l'énergie ainsi que la recherche de ressources durables et renouvelables. Les condensateurs sont des systèmes de stockage de l'énergie qui se sont imposés comme une des solutions aux problèmes énergétiques en raison de leurs avantages, tels que le respect de l'environnement, et la charge et la décharge d'énergie très rapides. Des besoins se sont créés pour un système de stockage capacitif à faible coût et à haut rendement, il est donc nécessaire de développer des matériaux avec une forte permittivité diélectrique. A ce propos, les composites diélectriques à matrice polymère suscitent une attention croissante en raison de leurs bonnes performances diélectriques. Des composites à matrice polymère chargée de particules céramiques ont par exemple été utilisés dans certains condensateurs pour le stockage d'énergie. Pourtant, en pratique, l'applicabilité de tels dispositifs est sérieusement entravée par la faible permittivité diélectrique des matériaux d'une part, et par la détérioration des propriétés mécaniques en raison de la forte teneur en particules céramiques rigides dans la matrice polymère flexible d'autre part. En remplaçant ces particules céramiques par des particules conductrices dans la matrice polymère, des composites percolatifs peuvent être réalisés avec une permittivité diélectrique nettement accrue au voisinage du seuil de percolation. Parmi les charges conductrices, les nanotubes de carbone (NTC) ont été les plus étudiés. En effet, du fait de leur facteur d'aspect et de leur conductivité élevée, ces derniers peuvent conduire à des niveaux de percolation dans les composites pour une très faible quantité de charges. Un des plus grands défis pour l'utilisation des NTC dans les matériaux composites est de séparer les NTC les uns des autres afin de réaliser une dispersion uniforme dans les polymères. Les travaux présentés dans cette thèse ont porté sur l'augmentation de la permittivité diélectrique de matériaux composites à matrice polymère à base de NTC en optimisant à la fois la dispersion des nanotubes ainsi que le contrôle de la microstructure des matériaux composites finaux. L'augmentation de la permittivité diélectrique dans les composites précédents provient de la formation de microcondensateurs au sein du matériau. Toutefois, les NTC ont toujours tendance à s'agglomérer dans le composite, ce qui n'est pas bénéfique à la formation de microcondensateurs. Pour surmonter ce problème, nous avons proposé une microarchitecture hybride SiC-NTC comme charge conductrice. Ces hybrides mulit-échelles ont été produits par dépôt chimique catalytique en phase vapeur assisté par aérosol. L'organisation des NTC sur les particules de SiC peut être efficacement contrôlée en ajustant les différents paramètres de synthèse. Les résultats ont montré que les propriétés de surface asymétriques des micro-particules de SiC étaient plutôt favorables à la croissance des NTC sur SiC selon "une direction unique", alors que certaines conditions expérimentales particulières peuvent aboutir à une croissance "multi-directionnelle". Les particules hybrides de SiC-NTC ainsi obtenues ont également été incorporées dans le PVDF pour préparer des composites percolatifs. Il a été constaté que les hybrides SiC-NTC permettent d'améliorer considérablement la permittivité diélectrique du composite avec un chargement extrêmement faible en NTC. Les NTC sont orientés le long d'un axe sur chaque microplaque de SiC et séparés par une couche mince de polymère, donnant lieu à un réseau de microcondensateurs. Par conséquent, de grandes permittivités diélectriques de plus de 8700 et 2100 à 100 Hz peuvent être obtenues pour un faible taux de chargement de NTC de l'ordre de 2,30% et 1,48% en volume pour les composites à renforts "multi-directionnel" et "unidirectionnel" respectivement. / Ever-increasing energy requirement and exhaustion of fossil fuels demands improving efficiency of energy usage as well as seeking sustainable and renewable resources. Energy storage capacitors are devices that could take this responsibility, and have been the focus of increasing attention due to their advantages such as environment friendliness and very fast energy uptake and delivery. As the requirements grow for a low-cost and high-efficiency capacitive storage system, there is great need for the development of materials with high dielectric permittivity. Polymer composite dielectrics are arousing increasing attention due to their large tunability in dielectric performances. Polymer composites filled with ceramic particles have been used in some energy storage capacitors. Still, their applicability for practical devices is severely hindered by the low dielectric permittivity and deteriorated mechanical and processing properties due to the high content of rigid ceramic particles in the flexible polymer matrix. By replacing ceramic particles with conductive particles in the polymer composites, the percolative polymer composites can be made with the dielectric permittivity dramatically increased in the vicinity of the percolation threshold. Among the conductive fillers, carbon nanotubes (CNTs) have been most intensively studied, as their large aspect ratio coupled with high conductivity can lead to percolation levels in composites at much low loading. One of the greatest challenges for CNT usage in composites is to debundle pristine CNTs and realize uniform dispersion into polymers. This thesis focused on increasing the dielectric permittivity of CNT-based polymer composites by both carefully optimizing the dispersion of nanotubes as well as controlling the microstructure of the composites. The dielectric permittivity increment in the previous composite systems originated from the formation of microcapacitors. However, CNTs were always frizzy in the CNT/polymer composites, which was not beneficial in forming parallel pair electrodes of microcapacitors. To overcome this problem, we proposed a microarchitecture of hybrid SiC-CNT as conductive filler. Such micro/nano hybrids were produced by floating catalytic chemical vapor deposition. The organization mode of CNTs on SiC particles could be effectively tuned by adjusting synthesis conditions. The results showed that asymmetric surface properties of 6H-SiC were prone to led to “single-direction” growth of CNTs on SiC particles, while the competition between the substrate nature and the experimental conditions can resulted in a “multi-directions” hybrid structure. Resultant SiC-CNT hybrids were further incorporated into PVDF to prepare percolative composites. It was found that the SiC-CNT hybrid can significantly improve the dielectric permittivity of SiC-CNT/PVDF composite with an extremely low CNT loading. CNTs on each SiC microplate are oriented along an axis and separated by a thin polymer matrix, giving rise to a network of microcapacitors. As a result, a large dielectric permittivity of more than 8700 and 2100 at 100 Hz could be obtained at a low CNT loading of 2.30 vol% and 1.48 vol% in the “multi-directions” and “single-direction” composites respectively.

Les nanotubes de carbone (CNTs), intégrant à la fois la structure parfaite, la géométrie unique, et des propriétés exceptionnelles, sont d'une grande importance dans le domaine des nanotechnologies. Leur association avec d'autres matériaux produit de nouvelles propriétés remarquables, et étend par conséquent leurs domaines d'applications comme charges multifonctionnelles. Cette thèse vise à développer un nouveau matériau hybride avec une structure multi-échelle à base de CNTs et de particules micrométriques d'alumine (mAl2O3) par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Nos études démontrent que les structures CNTs-mAl2O3 ont une propriété exceptionnelle en matière de transport thermique dans les composites polymères. Celle-ci nous a amenée à explorer plus en profondeur les mécanismes de l’organisation des CNTs sur mAl2O3, et d’étudier la cinétique de réactions chimiques dans l’espace gazeux du réacteur CVD. Dans le premier chapitre, nous faisons une revue de l'état de l'art sur la structure, les propriétés et les applications des CNTs, ainsi que les mécanismes de croissance de CNTs par CVD. Une attention particulière est également accordée aux structures hybrides nano-micrometriques qui sont synthétisées par greffage in-situ des CNTs sur des substrats micrométriques. Dans le deuxième chapitre, nous présentons trois types de structures hybrides, qui sont classifiées selon différents modes d'organisation des CNTs sur les microsphères d'alumine. L'évolution des structures hybrides est démontrée en faisant varier le diamètre, la longueur et la densité numérique des CNTs sur mAl2O3. L’organisation specifique et la dispersion homogène des CNTs permettent de diminuer considérablement leurs résistances de contacts thermiques lorsque les matériaux hybrides CNTs-mAl2O3 sont utilisés comme charges dans les composites polymères. Une amélioration importante de la conductivité thermique des composites Epoxy/CNTs-mAl2O3, par rapport à celle des composites constitués de CNTs et de résine époxy, est obtenue à une fraction massique ultra-faible en CNTs. Dans le troisième chapitre, nous avons étudié en détail les rôles joués par les paramètres CVD et les microparticules sphériques d’alumine dans la construction de structures hybrides multiformes. En particulier, les fortes corrélations entre la température, les sources de carbone et les ratios d'hydrogène ont été discutées. Le lien entre les CNTs et les microparticules est mis en évidence, ainsi que la dynamique de croissance des CNTs. L’auto-organisation des CNTs sur mAl2O3 est expliquée par les deux mécanismes suivants. Dans un premier temps, la structure hétérogène de la surface des particules entraîne une distribution différente des particules du catalyseur, et leur arrangement cristallin spécifique détermine potentiellement l’orientation des CNTs. Dans un deuxième temps, l'auto-assemblage des CNTs est dû à l’interaction des forces faibles de Van der Waals entre CNTs voisins. Le calcul basé sur le modèle du nano-cantilever montre que l’auto-assemblage des CNTs dépend fortement de leur diamètre, de leur longueur et de leur densité numérique sur mAl2O3. Dans le quatrième chapitre, la cinétique chimique des réactions dans l’espace gazeux du réacteur CVD est numériquement analysée. Le processus non-équilibré de CVD qui contient plusieurs phénomènes physico-chimiques est simulé avec succès en combinant la cinétique des réactions chimiques avec les phénomènes de transport physique. Les champs des concentrations de chaque espèce est révélée aux températures utilisées par simulation des réactions chimiques. Les sources effectives de carbone et de fer pour la croissance des CNTs ont été éclaircies en comparant les résultats de simulation avec les observations expérimentales, y compris les mesures de spectrométrie de masse. Ces analyses sont nécessaires pour améliorer la production des hybrides avec des structures homogènes. / Carbon nanotubes (CNTs), integrating perfect structure, unique geometry, and exceptional properties, are of great significance in nanotechnology. Their hybridization with a variety of other materials generates huge amounts of attractive properties, and thus expands largely their application fields as multifunctional fillers. This thesis aims to develop a novel multi-scale hybrid material based on carbon nanotubes and micrometer alumina particles (mAl2O3) by an in-situ floating chemical vapor deposition (CVD) method. Our studies demonstrate that the CNTs-mAl2O3 structures have outstanding thermal transport properties in polymer composites. This greatly motivates us to further explore the organization mechanisms of CNTs on microparticles, and to investigate gas phase chemical reaction kinetics in CVD reactor. In the first chapter, we review the state of the art of research in CNT structure, properties and applications, as well as CNT growth mechanisms in CVD. Special attention is also paid to the nano-micro hybrid structures which are synthesized by in-situ grafting CNTs on micrometer substrates. In the second chapter, we present three types of hybrid structures which are classified according to distinct CNT organization patterns on alumina microspheres. The evolution of the hybrid structures is demonstrated by varying CNT diameter, length and number density on mAl2O3. The specific organization and homogeneous dispersion of CNTs could significantly reduce their thermal contact resistances when the CNTs-mAl2O3 hybrid materials are used as fillers in polymer composites. Enhanced thermal conductivities of the Epoxy/CNTs-mAl2O3 composites are obtained at ultra-low CNT weight fractions compared with that of the composites constituted of pristine CNTs and epoxy. In the third chapter, we investigate in detail the roles played by CVD parameters and alumina spherical microparticles in the construction of multiform hybrid structures. In particular, the strong correlations among the temperature, carbon sources and hydrogen ratios are discussed. The connection between the CNTs and the microparticles are demonstrated, along with the CNT growth dynamics on mAl2O3. The self-organization behavior of CNTs on mAl2O3 is explained by the following two mechanisms: first, heterogeneous surface structures of mAl2O3 generate varied nucleation of catalyst particles, and their specific crystal arrangement potentially determines CNT growth orientations; second, the self assembly of CNTs is due to weak Van der Waals interaction forces between neighboring nanotubes. The calculation based on the nano-cantilever model shows that the CNT self assembly is greatly dependent on their diameter, length and number density on mAl2O3. In the forth chapter, gas phase chemical reaction kinetics in CVD reactor is numerically analyzed. The non-equilibrium CVD processes which involve multi physical-chemical phenomena are successfully simulated by combining the chemical reaction kinetics with the physical transport phenomena. The space-dependent concentration distribution of each species is revealed by simulating the reacting fluid at the used temperatures. The effective carbon and iron precursors for CNT growth are illuminated by comparing simulation results with experimental observations including mass spectrometry measurements. These analyses of chemical reactions in CVD system are helpful to improve the production of the hybrids with homogeneous structures.

Résumé : L'un des problèmes les plus difficiles auquel les technologies liées aux nanomatériaux font face est l'impact qu'elles ont sur la santé humaine et l'environnement. Il est donc primordial d'étudier les effets toxicologiques de ces technologies dont l'utilisation est très répandue dans divers domaines d'application. Par conséquence, dans ce projet, la cytotoxicité des matériaux présents dans la synthèse de nanotubes de carbone mono-parois (SWCNTs) par plasma thermique inductif (des matières premières au produit final) a été évaluée. Tout d'abord, l'influence du procédé plasma thermique inductif sur les propriétés physico-chimiques et cytotoxiques des matières premières (les catalyseurs commerciaux Co, Ni, Y203, Mo et le noir de carbone) a été déterminée. Un effet cytotoxique plus important a ainsi été révélé pour le Co commercial. De plus, bien que le procédé de plasma affecte les propriétés physico-chimiques de chaque catalyseur, seule la cytotoxicité du Ni a augmenté. La comparaison des particules de Ni après traitement par plasma avec les nanoparticules de Ni commerciales, a révélé que ces particules ayant pourtant une surface similaire avaient des cytotoxicités différentes. De plus, la toxicité des catalyseurs n'était pas principalement due à la libération d'ions. Afin d'évaluer la capacité du procédé de plasma thermique inductif à synthétiser des SWCNTs de haute qualité en utilisant des catalyseurs non toxiques, les effets du type et de la quantité de trois mélanges de catalyseurs (Ni-Y203, Ni-Co-Y203, et Ni-Mo-Y203) sur la production de SWCNTs ont été examinés. Les calculs thermodynamiques, en phase gazeuse et dans la phase de solution liquide, ont également été réalisés. Les résultats ont montré que le type de catalyseur affecte la qualité des SWCNTs et une qualité similaire peut être produite lorsque la même quantité de Co a été remplacée par le Ni. L'influence des SWCNTs produits avec trois mélanges de catalyseurs sur le comportement des préostéoblastes marins MC3T3-E I a été évaluée. Les SWCNTs ont été ajoutés sur les cellules attachées ou les cellules ont été ensemencées sur des plaques recouvertes de SWCNTs. Les SWCNTs ajoutés sur les cellules attachées affectent considérablement la viabilité cellulaire. Toutefois, la viabilité des cellules ensemencées sur les SWCNTs a seulement légèrement diminué à 24 h, même pour celles ensemencées sur les SWCNTs produits avec Ni-Co-Y203. De plus, les cellules peuvent proliférer en présence des SWCNTs dans les 48 h. Ainsi, sauf perturbation mécanique membranaire, ces SWCNTs ne semblent pas induire de cytotoxicité sévère sur les préostéoblastes. Les SWCNTs ont donc été purifiés et leur influence sur la prolifération des préostéoblastes, l'activation de la voie des BMPs ou Smad et la différenciation ostéoblastiques induites par l'addition de BMP-2 et BMP-9 a été étudiée. Le prétraitement des cellules par des SWCNTs pendant 24 h a accéléré l'activation des Smad1/518 induite par les BMPs. Après 72 h d'incubation avec BMP-2 ou BMP-9, les préostéoblastes prétraités avec des SWCNTs exprimaient des gènes codant pour des marqueurs ostéogéniques comme ostérix et octéocalcine et présentaient une forte activité de la phosphatase alcaline. Fait intéressant, la BMP-9 a favorisé la différenciation des préostéoblastes prétraités avec les SWCNTs de manière plus importante que la BMP-2. Par conséquent, la combinaison de la BMP-9 avec les SWCNTs semble être une voie prometteuse pour ta régénération osseuse. // Abstract : One of the most challenging issues that the technologies related to nanomaterials face is the impact they have on human health and environment. It is therefore of great importance to investigate the toxicological impacts of these technologies prior to their widespread utilization in different fields of application. Therefore, in this study, the cytotoxicity of the materials present throughout the process of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) synthesis by induction thermal plasma (from the feedstock materials to the final product) was evaluated. First of all, the influence of the induction thermal plasma process on the physico-chemical and cytotoxic properties of feedstock materials (i.e. commercial Co, Ni, Y203, Mo catalysts and carbon black) was investigated. The strongest cytotoxicity was observed for commercial Co compared to other catalysts. Although the thermal plasma process affected the properties of all catalysts, only the cytotoxicity of Ni was increased. Comparing the properties and cytotoxicity of the plasma treated Ni particles with commercial Ni nanoparticles revealed that the particles with similar surface area had different cytotoxicities. Plus, the observed cytotoxicity of the catalysts was not mainly due to the release of ions. In order to evaluate the capacity of the RF induction thermal plasma process to produce high quality SWCNTs using non-toxic catalysts, the effects of the type and quantity of three catalyst mixtures (Ni-Y203, Ni-Co-Y203, and Ni-Mo-Y203) on SWCNTs synthesis were examined. Thermodynamic calculations, in gas and particularly in liquid solution phases, were also performed. The results showed that catalyst type affected the quality of the SWCNT final product and similar quality SWCNTs was produced when the same amount of Co was replaced by Ni. Then, to investigate the cytotoxicity of the SWCNTs produced with the three catalyst mixtures, their effect was evaluated on the behavior of murine MC3T3-E1 preosteoblasts. Either SWCNTs were added on the attached cells or cells were seeded on the SWCNT-covered culture plates. SWCNTs which were added on the attached cells reduced cell viability drastically in a dose-dependent manner. However, the viability of the cells seeded on SWCNTs was only slightly decreased at 24 h, even on those produced with Ni-Co-Y203. Moreover, cells could proliferate within 48 h. Thus, except mechanical membrane disturbance, thermal plasma grown SWCNTs seemed to induce no severe cytotoxicity on MC3T3-El preosteoblasts. Consequently, SWCNTs were purified and their influence on the viability and proliferation of MC3T3-El preosteoblasts was determined. The impact of SWCNTs on Smad activation and cell differentiation induced by BMP-2 and BMP-9 was also studied. SWCNTs pm-treatment accelerated the Smadl/5/8 activation induced by both BMP-2 and BMP-9. It did not reduce the viability of preosteoblasts but slightly affected their proliferation at 48 h. Furthermore, after 72 h incubation with BMP-2 or BMP-9, preosteoblasts pm-treated with SWCNTs for 24 h could express genes encoding osteogenic markers such as osterix and osteocalcin and showed high alkaline phosphatase activity. Interestingly, BMP-9 favored the differentiation of preosteoblasts pre-treated with SWCNTs more remarkably than BMP-2. Therefore, combination of BMP-9 with SWCNTs seems to be a promising avenue for bone regeneration. [symboles non conformes]

La présente thèse est constituée par un ensemble d'études expérimentales sur l'effet des hautes pressions sur les nanotubes de carbone mono-parois, individualisées, fermés ou ouvertes, donc vides ou remplis d'eau. Les techniques des hautes pressions et de la spectroscopie Raman ont été combinées afin d'étudier l'effondrement des nanotubes et de sonder les modifications induites par l'effet de la pression. Les coefficients de pression des modes radiaux de respiration (RBM) ont été obtenus avec identification individuelle par chiralité. Les RBM des nanotubes remplis d'eau ont pu être observés à des pressions bien plus élevées que pour des nanotubes vides. Après un cycle à haute pression, les nanotubes vides de diamètre plus important n'étaient pas détectables tandis que les tubes de diamètre sous-nanométrique se sont remplis d'eau. Ces observations suggèrent que les nanotubes de diamètre le plus faible ont une meilleur stabilité sous pression qui est accrue par le remplissage par de l'eau. Une réponse inusuelle du nanotube (7,2) suggère que la chiralité peut avoir aussi un rôle aussi important dans la stabilité structurelle, en tout cas pour les nanotubes de plus faibles diamètres. De son côté, l'évolution des modes de vibration tangentiels suggère l'effondrement radial des nanotubes vides d'un diamètre d'environ de 1.32 nm à une pression proche de 4 GPa, en accord avec les prévisions théoriques les plus récentes. Ces mêmes tubes remplis d'eau, présentent un effondrement à une pression qui se situe au-delà de 16 GPa / The present thesis constitutes a set of experimental studies on the effect of high pressures on single wall carbon nanotubes, individualized, closed or open, therefore empty or filled with water. High-pressure techniques and Raman spectroscopy were combined to study the radial collapse, as well to probe the pressure-induced modifications. Chirality-resolved pressure derivatives were obtained for the radial breathing modes (RBM). The RBM of water-filled could be observed at pressures higher than those of empty. After a high-pressure cycle, empty nanotubes of larger diameters were not detectable anymore, while sub nanometric diameter ones became filled with water. Such observations suggest that thinner nanotubes have better pressure-stability, which is increased upon water filling. An unusual response of the (7,2) nanotube suggests that the chirality may have also an important role on the structural stability for small diameters. The evolution of the tangential modes suggest the onset of radial collapse of empty nanotubes averaging 1.32 nm diameter at about 4 GPa, in agreement with the latest theoretical predictions. These same nanotubes, though water-filled, they collapse at pressures higher than 16 GPa

Les nanotubes de carbone (NTCs) dopés avec différents hétéroéléments tels que l'oxygène et l'azote connaissent un intérêt croissant dans le domaine de la catalyse hétérogène comme leur utilisation en tant que catalyseur sans métaux. L'objectif de cette thèse consiste à la synthèse et la caractérisation de matériaux catalytiques à base de NTC dopés à l'azote supportés sur du carbure de silicium SiC par voie in situ (CVD) et ex-situ méthodes. Une autre approche a été utilisée pour la fonctionnalisation de la surface des nanotubes de carbone et basées sur l'utilisation d'un agent oxydant (HNO3) en phase gazeuse. Ce procédé d'oxydation crée non seulement des défauts sur la surface des nanotubes de carbone mais également décore leur surface avec des groupes fonctionnels oxygénés. Les NTCs dopés à l'oxygène et à l'azote ainsi synthétisés ont été caractérisés par différentes techniques (XPS, MEB, MET, BET, ATG). Ces catalyseurs carbonés présentent des performances remarquables en termes d'activité et de sélectivité en soufre, et une très grande stabilité sous flux en fonction du temps dans la réaction d'oxydation partielle de l'H2S en soufre élémentaire, et ce, même à vitesse spatiale de gaz élevée (WHSV) et faible rapport O2/H2S. L'influence des différentes propriétés physico-chimiques et les défauts présents sur la surface des NTC sur les performances catalytiques ont été étudiée et discutée dans le cadre de ce travail. / Carbon nanotubes (CNTs) containing different doping such as oxygen and nitrogen composites have received more and more scientific attention as metal-free catalyst in the field of heterogeneous catalysis. The aim of this thesis is related to the synthesis and characterization of nitrogen-doped CNTs decorated on SiC support using both in-situ (CVD with NH3) and ex-situ (N@C) methods. Other approach was employed for the surface functionalization of CNTs is based on the use of oxidative agent (HNO3) in gas phase. This oxidation process not only creates defects on the CNTs surface but also decorates their surface with oxygenated functional groups. The as-synthesized oxygen- and nitrogen-doped CNTs are characterized by different techniques (XPS, SEM, TEM, BET, TGA). The carbon based catalysts exhibit outstanding performances in term of activity and sulfur selectivity, and very high stability with time on stream in the partial oxidation of H2S into elemental sulfur even at high gas space velocity (WHSV) and low O2-to-H2S molar ratio. The influence of the physical-chemical properties and defects present on the CNTs surface on the catalytic performance was thoroughly investigated and discussed within the framework of this work.

Ce travail de thèse concerne l’étude des propriétés électrochimiques des fibres de nanotubes de carbone (NTC). D’une part, nous nous sommes intéressés à leurs caractéristiques en tant que nouveau capteur analytique. Pour cela, une procédure de fabrication de microélectrodes au comportement stable et reproductible a été mise en place. Puis leur comportement analytique intrinsèque fut caractérisé avant de procéder à des modifications de surface pour les rendre plus sélectives. D’autres part, nous nous sommes intéressés aux propriétés électromécaniques des fibres de NTC, soit leur comportement en tant qu’actionneur électrochimique capable de générer une déformation mécanique en réponse à une injection de charge électrique. Nous avons caractérisé leurs performances en terme de contrainte et déformation mécanique générée. Des voies d’optimisation ont été investies. Enfin, nous montrons l’influence que peut avoir l’alignement des NTC au sein de la fibre sur leur propriétés. Ces premières investigations électrochimiques concernant les fibres de NTC, ouvrent de nombreuses voies d’applications prometteuses vers des systèmes analytiques (capteurs, biocapteurs) mais aussi mécaniques (robots, outils chirurgicaux, muscle artificiel) performants et fiables. / This thesis deals with the study of the electrochemical properties of carbon nanotube (CNT) fibers. On the one hand, we have characterized this material as new analytical sensors. With respect to this, a fabrication procedure to obtain stable and reproducible microelectrodes has been elaborated. Their analytical performance has been characterized with and without surface modification in order to emphasize their selectivity. On the other hand, we have studied the electromechanical properties of CNT fibers in the context of electrochemical actuators that can convert electrical into mechanical . The performances has been characterized in term of generated strain and stress. Possible ways of optimization have been investigated. Finally, we demonstrate the influence of the CNT orientation on the fiber properties. This first study on electrochemical properties of CNT fibers opens various promising applications regarding reliable and efficient analytical tools (sensors, biosensors) and mechanical devices (robots, microchirurgical tools, artificial muscle).

Les recherches menées dans le domaine des piles à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEMFCs) depuis le début des années 1980 ont permis de considérablement améliorer leurs performances. Deux principaux verrous persistent néanmoins au niveau des catalyseurs : le coût et la stabilité. En effet, pour obtenir de bonnes performances, il faut que la couche active cathodique soit relativement chargée en métaux nobles, comme le platine, ce qui a un coût important. En plus d’être couteux, les catalyseurs utilisés commercialement sont sujets à différents phénomènes de dégradation, notamment l’oxydation du support carboné. Les travaux décrits dans cette thèse visent à produire des catalyseurs bimétalliques supportés sur des nanotubes de carbones dopés, afin de préparer des structures actives pour la Réaction de Réduction de l’Oxygène (ORR) et résistantes dans les conditions de fonctionnement des PEMFCs. La première étape a été la synthèse de nanotubes de carbone dopés à l’azote (N-CNT) ou au soufre (S-CNT). Différents traitements et fonctionnalisations ont été testés pour faciliter le dépôt et la dispersion de nanoparticules métalliques à la surface des nanotubes, faciliter l’intégration du catalyseur dans la couche active et ralentir le phénomène d’oxydation du carbone. Des nanoparticules bimétalliques PtCo et PtNi ont été préparées en utilisant une méthode de synthèse originale utilisant un liquide ionique comme stabilisant. Tous les catalyseurs ainsi synthétisés ont présenté des surfaces électro-actives (ECSA) élevées et de bonnes activités pour l’ORR. Les plus pertinents ont été étudiés en mono-cellules de 25 cm². Ils présentent de meilleurs résultats aux tests de dégradation accélérés du support carboné, comparés à une référence commercial PtCo supporté sur noir de carbone. Une diminution du chargement en platine de la couche active cathodique de 0,4 mgPt/cm² à 0,2 mgPt/cm² a permis d’améliorer les performances de la mono-cellule en diminuant notamment les limitations dûes au transport de matière dans la couche active. / Researches on the field of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) since the early 1980s have greatly improved their overall performances. Nevertheless, there are still two main issues with the catalyst: the cost and the stability. In order to obtain good performances, the cathodic active layer generally shows very high loadings with noble metals such as platinum that explain the high costs. In addition to this cost, various phenomena of degradation and in particular the oxidation of the carbon support can be observed on commercially used catalysts. The aims of this work is to produce bimetallic catalysts supported on doped carbon nanotubes in order to obtain active structures for the Oxygen Reduction Reaction (ORR) and resistant under the operating conditions of the PEMFCs. The first step was the synthesis of carbon nanotubes doped with nitrogen (N-CNT) or with sulfur (CSx). Different treatments and functionalizations have been tested to facilitate the deposition and the distribution of metal nanoparticles on the surface of the nanotubes and to facilitate the integration of the catalyst in the active layer. Carbon nanotubes have been chosen because they are known to be less reactive for oxidation than carbon blacks. The bimetallic nanoparticles PtCo and PtNi were prepared using an original synthetic route using an ionic liquid as a stabilizer. All the catalysts synthesized exhibited good electro-active surface area (ECSA) and excellent activities for ORR. The most relevant catalysts were studied in monocells of 25 cm². They show better results in accelerated degradation tests of the carbon support, compared to a PtCo commercial reference supported on carbon black. A reduction in the platinum loading of the cathodic active layer from 0.4 mgPt/cm² to 0.2 mgPt/cm² improves the performances of cell by reducing the limitations due to the transport of material in the active layer.

Les nanotubes de carbone ou le graphène sont des formes allotropiques du carbone prometteuses pour un large domaine d’applications, mais des modifications de leur surface carbonée sont nécessaires pour leur manipulation et mise en forme. La fonctionnalisation covalente est un des moyens utilisés avec succès dans ce cadre, même si les modifications induites ne sont pas contrôlables. Les travaux réalisés au cours de cette thèse concernent l’utilisation de la réduction chimique des nanotubes et autres nanoformes de carbone, nanocornes, graphène ou nanodisques, pour d’une part obtenir des solutions stables et concentrées dans une gamme de solvants dépendant du type de nanoforme et d’autre part fonctionnaliser de manière covalente les différents types de surface carbonée de ces objets. Dans le cas des nanotubes, des molécules acceptrices ou donneuses d’électrons ont ainsi été greffées permettant la formation d’ensembles donneur-accepteur. D’autre part, le nombre de fonctions chimique greffées a pu être contrôlé, préservant ainsi les propriétés électroniques des nanotubes. / Carbon nanotubes and graphene are promising allotropes of carbon for a large range of applications. Due to their tendency to aggregate, modifications of the carbon surface are required in order to manipulate them. Covalent functionalization is one of the ways commonly used to reach this target even if this route is not controllable. The study presented in this thesis deals with the chemical reduction of carbon nanotubes and other forms of carbon such as nanohorns, graphene, nanocones and nanodisks. Two main results have been demonstrated here. First, adding electrons to these materials renders them soluble at high concentrations in various organic solvents. Second, these reduced materials can be functionalized covalently thanks to the charges excess. Donor-acceptor dyads have thus been prepared by grafting organic dyes such as porphyrin and perylene to the nanotubes. Furthermore the extent of functional groups can be controlled preserving the electronic properties of carbon nanotubes.

Les travaux de recherche effectués lors de cette thèse s'articulent autour de deux matériaux carbonés: les nanotubes de carbone et le graphène. Leur point commun réside dans la technique de mise en suspension qu'est la dissolution douce. Cette méthode se base sur la réduction des nanostructures carbonées en polyélectrolytes, autrement dit en nanostructures chargées négativement. Nous nous sommes intéressés d'une part à la préparation et à l'étude de films transparents conducteurs à base de nanotubes de carbone pour des applications en électronique organique en tant qu'électrode transparente et en électrochimie. D'autre part, les travaux présentent une étude des solutions de graphène. Nous nous sommes notamment attachés à démontrer la présence de graphène en suspension dans certains solvants organiques par analyse directe de ces solutions. / Two carbon materials have been studied during this thesis: carbon nanotubes and graphene. Their common point is the method used to prepare suspensions which is the mild dissolution. Using this method, carbon nanostructures can be reduced into polyelectrolytes, id. into negatively charged nanostructures. The first part deals with transparent and conductive films of carbon nanotubes which have been prepared and studied as transparent electrode for electronic applications and for electrochemistry. The second part of this work deals with graphene in solution in different solvents. The aim of this work was to show the presence of graphene by direct analysis of these graphene solutions.

L’impact potentiel des nanotubes de carbone multi-parois (NTCMW) a été évalué sur des larves de Xenopus laevis, exposées à des concentrations de 0,1 ; 1 et 10 mg/L, sur une durée allant de 2 à 24 h. Des mesures biochimiques réalisées à l’échelle des larves entières ont permis de mettre en évidence une induction d’un stress oxydant caractérisé par une production de peroxyde d’hydrogène et une induction des enzymes de lutte contre le stress oxydant : glutathion réductase, catalase et superoxyde dismutase, de façon dépendante de la concentration en NTCMW. Une production significative de malondialdéhyde, un marqueur important de la peroxydation des lipides, a été mesurée chez les larves en présence de NTCMW bruts. Les résultats de mesure des dommages à l’ADN ont indiqué une altération du matériel génétique de façon dose-dépendante. Des observations macroscopiques des larves, ont montré une accumulation, dose- et temps-dépendante, de masses noires suspectées d’être des agglomérats de NTC, au niveau des branchies, laissant penser à un probable colmatage de ces dernières. Cette hypothèse a été vérifiée par la mesure de différents paramètres sanguins. Une diminution de la pression partielle en O2 (pO2) et du pH ont été observées à partir de 1 mg/L de NTCMW dans le milieu. À 10 mg/L, une augmentation significative de la pCO2 et de la concentration en hémoglobine, accompagnée d’une diminution du pH et de la pO2 ont été observées. Enfin les analyses de RT-PCR quantitative, réalisées au niveau des érythrocytes, ont permis de confirmer l’induction du stress oxydant, de la peroxydation des lipides, des dommages à l’ADN et de l’hypoxie. La quantification des transcrits a également mis en avant un processus inflammatoire et apoptotique en réponse à une exposition des larves à des concentrations élevées en NTCMW bruts. / The potential impact of the Multiwalled Carbon Nanotubes, (MWCNT) was investigated on Xenopus laevis tadpoles exposed to concentrations of 0.1, 1 and 10 mg/L, on period ranging from 2 to 24 h. Biochemical measurements across whole larvae were allowed to demonstrate induction of oxidative stress, characterized by the production of hydrogen peroxide and induction of anti-oxidantive enzymes: glutathion reductase, catalase and superoxide dismutase, depending of the concentration MWCNT. Significant production of malondialdehyde, a major marker of lipid peroxidation was measured in larvae in presence of Raw MWCNT. The results of DNA damage measurement indicated alterations of the genetic material in a dose-dependent manner. Macroscopic observations of larvae showed a dose dependent time accumulation of black masses in gills, suspected to be CNT agglomerates, suggest a probable gills clogging. This hypothesis was verified by measuring various blood parameters. A decrease in O2 partial pressure (pO2) and pH were observed from 1 mg/L of MWCNT in the exposure medium. At 10 mg/L, a significant increase in the pCO2 and hemoglobin concentration, accompanied by a decrease in pH and pO2 were measured. Finally, Quantitative RT-PCR analysis performed on tadpoles erythrocytes, have confirmed the induction of oxidative stress, lipid peroxidation, DNA damage and hypoxia. Quantification of transcripts also helped to highlight an inflammatory and apoptotic process in response to larvae exposure to high concentrations of raw MWCNT.