Les matériaux carbonés présentent de nombreux avantages pour les domaines des nanotechnologies et de l'environnement.La mixité de chiralité des nanotubes de carbone limite leur application dans les appareils électroniques et le nano-confinement. Dans une première partie, ce travail de thèse s'est concentré sur la séparation en chiralité de nanotubes de carbone de type CoMoCAT, afin d'élaborer de nouveaux nano-conteneurs.Après sélection en chiralité, nous avons évalué les propriétés sous hautes pressions des fagots de nanotubes sélectionnés, et leur interaction avec l'eau. Les résultats ont montré que les fagots supportent des pressions jusqu'à 17 GPa, avant de subir un effondrement radial réversible, permettant de les utiliser en tant que nano-enclumes.L'élaboration d'une éponge de carbone (super)hydrophobe pour le traitement des eaux après pollution aux hydrocarbures a été décrite dans une seconde partie. La pyrolyse de mousses polymères a permis de conserver la très grande porosité de la mousse (> 99%), tout en lui conférant des propriétés proches de la superhydrophobie et de grandes capacités d'absorption de pétrole et solvants organiques (85-200 g/g). L'élasticité du matériau permet sa régénération par simple compression mécanique : récupération du polluant et réutilisation de l'absorbant. De plus, cette caractéristique reste valable même après une centaine de cycles de compression-décompression, en conservant 81% de sa capacité d'absorption dans le cas du pétrole brut / Carbon materials present many advantages for the nanotechnology and environment fields. The chirality mixity of carbon nanotubes limits their application in electronic devices and the nano-confinement. In the first part, this thesis has focused on the chirality separation of CoMoCAT carbon nanotubes, in order to elaborate new nano-containers.After the chirality selection, the properties of selected nanotubes bundles under high pressure were evaluated, as well as their interaction with water. The results show that the bundles support pressures until 17 GPa, before to undergo a reversible collapse, allowing their application as nano-anvils.The (super)hydrophobic carbon sponge elaboration for the clean-up of water polluted by oils was described in the second part. The polymeric foams pyrolysis allows to keep the very high foam porosity (> 99%), to give properties next to the superhydrophobicity and large absorption capacities in oils and organic solvents (85-200 g/g). The material elasticity allows its regeneration by simple mechanical compression : recovery of pollutant and re-use of the absorbant. Moreover, this feature remains valid after a hundred compression-decompression cycles, with 81% of the initial crude oil absorption capacity

Ce travail de thèse est consacré à l’étude de nanotubes géo-inspirés des nanotubes d’imogolite naturels présents dans certains sols et à celle des propriétés dynamiques de l’eau dans ces objets. Les objets étudiés, de stoechiométrie Ge(Si)Al₂O₇H₄ et Ge(Si)Al₂O₆CH₆, sont des nanotubes d’aluminosilicate et d’aluminogermanate dont la paroi interne est tapissée soit de groupements hydroxyles, hydrophiles, soit de groupements méthyles, hydrophobes. Dans le premier chapitre de ce manuscrit, nous présentons un état des connaissances sur ces nanotubes et nous introduisons la thématique de l’eau confinée. Le second chapitre est consacré à l’analyse de la structure des nanotubes sur la base d’expériences de diffusion des rayons X sur poudre. Nous y introduisons une nouvelle méthodologie, fondée sur l’utilisation des symétries hélicoïdales et la minimisation d’une énergie semi-empirique, permettant de réduire la détermination d’une structure tubulaire complexe à l’évaluation de quelques paramètres géométriques. Grâce à cette procédure, nous déterminons la structure des nanotubes d’aluminosilicate et d’aluminogermanate méthylés et hydroxylés. En particulier, un mode d’enroulement différent pour les nanotubes méthylés et hydroxylés est mis en évidence. Dans le troisième chapitre, nous présentons l’étude expérimentale des transformations en température des nanotubes d’aluminogermanate hydroxylés, jusqu’à 1000°C, grâce à une approche multitechnique associant la spectroscopie d’absorption X in situ aux seuils K de l’aluminium et du germanium, la spectroscopie RMN, la spectroscopie infrarouge et la diffusion des rayons X. Le quatrième chapitre est consacré à l’étude de la dynamique de l’eau dans les nanotubes d’aluminogermanate hydroxylés et méthylés, par diffusion inélastique des neutrons. Dans le cas des nanotubes hydroxylés, les expériences sont analysées à la lumière de simulations de dynamique moléculaire. Nous montrons que l’eau liée à la paroi interne des nanotubes présente une structuration originale et que les dynamiques de l’eau et du nanotube sont fortement corrélées. / This thesis focuses on the investigation of nanotubes geo-inspired from natural imogolite nanotubes present in some soils and on the dynamical properties of water confined in these objects. These objects with nominal stoichiometry Ge(Si)Al₂O₇H₄ and Ge(Si)Al₂O₆CH₆, are aluminosilicate and aluminogermanate nanotubes whose inner wall is covered with either hydrophilic hydroxyl groups or hydrophobic methyl groups. In the first chapter of this manuscript, we present a state of knowledge on these nanotubes and introduce the topic of confined water. The second chapter is dedicated to the analysis of the structure of nanotubes thanks to X-ray powder scattering experiments. We introduce a new methodology, based on the use of helical symmetries and on the minimization of semi-empirical energy, which reduces the determination of a complex tubular structure to the evaluation of some geometric parameters. With this procedure, we solve the structure of both methylated and hydroxylated aluminosilicate and aluminogermanate nanotubes. In particular, a different rolling mode is highlighted for methylated and hydroxylated nanotubes. In the third chapter, we present the experimental study of the thermal transformations of hydroxylated aluminogermanate nanotubes, up to 1000°C. This work is the result of a multi-technical approach combining in situ X-ray absorption spectroscopy at the K thresholds of aluminium and germanium, NMR spectroscopy, infrared spectroscopy and X-ray scattering. The fourth chapter focuses on the study of water dynamics in hydroxylated and methylated aluminogermanate nanotubes by inelastic neutron scattering. For hydroxylated nanotubes, experiments are analyzed in the light of molecular dynamics simulations. We show that the water layer bound to the inner wall of the nanotubes presents an original structure and that the dynamics of water molecules and of the nanotube are strongly correlated.

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Dans ce travail nous étudions l’élaboration, la caractérisation et les applications de différents matériaux poreux. L’étude est organisée en trois parties majeures: la synthèse de zéolithes micro/mesoporeux et leur application potentielle dans l’industrie pétrochimique, l’étude théorique de mécanismes réactionnels sur des zeolites microporeux, et le design de métaux mesoporeux avec une chiralité intrinsèque de leur surface interne. Ces matériaux poreux montrent des propriétés excellentes, notamment pour des applications potentielles en catalyse et comme interfaces chirales. / In the present work, the elaboration, characterisation and applications of differentporous materials have been studied. Porous materials are divided into three categoriesdepending on the porous cavity size, namely microporous materials (pore diameter < 2nm), mesoporous materials (2 nm < pore diameter < 50 nm) and macroporous materials(pore diameter > 50 nm). The thesis work is organized in three major parts: the synthesisof hierarchical micro/mesoporous zeolites and their potential application for thepetrochemical industry, the theoretical study of reaction mechanisms on microporouszeolite and the design of mesoporous metals with intrinsic chirality at their inner surface.The hierarchical micro/mesoporous zeolite, composed of microporous andmesoporous features, has been prepared using carbon-silica (C/SiO2) composites derivedfrom a pyrolysis of hydrocarbon gas on silica gel. Our findings demonstrate that not onlythe presence of a high surface area and porosity, but also an improved efficiency of thesematerials for many petrochemical processes such as n-butene isomerization, nhexadecanecatalytic cracking and hydrocracking. The novel synthetic method is expectedto be generalized for other types of zeolites, and is considered to be a promising methodfor creating hierarchical micro/mesoporous zeolites for potential catalytic applications,especially in the petrochemical industry.In addition to the study of practical catalytic aspects, a theoretical approach hasbeen used to investigate potential reaction mechanisms such as the selective isomerizationof 1-butene into isobutene. More specifically, the monomolecular skeletal isomerizationof 1-butene into isobutene on H-FER zeolite was theoretically studied by using theONIOM approach. This process was found to involve the transformation of adsorbed 1-butene through 2-butoxide, isobutoxide, and tert-butyl cation intermediates. The ratedeterminingstep is the conversion of isobutoxide into isobutene, in which the reactionhas to proceed through the primary isobutyl cation transition state. The shape selectivitydue to the “nano-confinement” effect of the zeolite framework strongly affects theadsorption, the stability of alkoxide species and carbenium ion, as well as the skeletalisomerization mechanism of 1-butene.Moreover, the microporous and mesoporous zeolite, the generation of chiralmesoporous metal and its enantioselective recognition properties have been studied.Molecular imprinting (MI) is a major approach for generating materials withenantioselective properties. In this work, a chiral imprinted mesoporous platinum hasbeen obtained by the electrochemical reduction of platinum salts in the simultaneouspresence of a lyotropic liquid crystal phase and chiral template molecules. The resultingmaterials exhibit not only a dramatic increase in active surface area due to theirmesoporosity, but also a significant discrimination between two enantiomers of a chiralprobe, confirmed by both electrochemical and enantioselective adsorption experiments.Most importantly the porous platinum retains its chiral character even after removal of thechiral template molecule. Our findings could lead to the development of new materials,which are of potential interest for applications in areas such as chiral synthesis, sensors,separation, purification and drug development.

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