L’océan Arctique est reconnu comme faisant partie des régions les plus exposées et les plus sensibles aux changements climatiques, comme en témoignent les récentes pertes importantes du couvert de glace et le réchauffement rapide de l’air et des eaux surfaces. En affectant les conditions physico-chimiques de la colonne d’eau (par ex : lumière disponible, température, apports de nutriments), ces bouleversements peuvent conduire à des changements dans la croissance et la composition élémentaire (stœchiométrie) du phytoplancton à la base du réseau alimentaire et ainsi altérer le fonctionnement et la biogéochimie de l’écosystème marin. Bien que de récentes études suggèrent que les diatomées des régions arctiques possèderaient une stœchiométrie et des teneurs en carbone (C), azote (N) et phosphore (P) différentes de celles observées à de plus basses latitudes, de grandes incertitudes persistent quant à l’influence des conditions environnementales changeantes sur la croissance et la composition élémentaire d’espèces phytoplanctoniques dont l’importance écologique est avérée. Puisque la complexité des communautés planctoniques rend difficile l’étude in situ de la réponse physiologique de ces espèces clés, le présent ouvrage repose sur une approche parallèle qui consiste à mettre en évidence expérimentalement l’influence des conditions physiques et nutritives sur la croissance et la stœchiométrie d’une diatomée cosmopolite cultivée en laboratoire. Chaetoceros gelidus est une diatomée largement répandue dans l’océan Arctique et dont l’importance écologique a été maintes fois soulignée. La présente étude, approfondie et inédite, de C. gelidus a permis de constater qu’à température faible les quotas cellulaires et la stœchiométrie de cette espèce sont fortement dépendants du rapport nitrate:phosphate initial dans le milieu de culture. Au-delà de son évidente portée méthodologique, ce résultat permet d’encadrer l’extrapolation des connaissances acquises en laboratoire au milieu naturel de l’Arctique, où le rapport nitrate:phosphate ambient varie grandement d’un secteur à l’autre. Par ailleurs, C. gelidus s’avère capable de croître à des taux appréciables et identiques en présence de différentes formes d’azote, dont les valeurs énergétiques sont pourtant très inégales, et est en mesure de maintenir une stœchiométrie fixe quel que soit le niveau de lumière et la forme d’azote à 0 °C. Cette capacité singulière s’atténue à mesure que la température augmente, soulignant le rôle prépondérant de la température dans le contrôle du métabolisme azotée. Malgré son caractère psychrophile, C. gelidus présente des quotas élémentaires étonnamment proches de ceux observés pour des diatomées tempérées, suggérant que l’espèce peut être considérée comme un amalgame de traits polaires et tempérés. Au-delà du nouvel éclairage qu’ils apportent sur la nature et la physiologie des diatomées polaires, les résultats de cette thèse témoignent de la surprenante capacité d’une espèce clé à tolérer des perturbations majeures de l’environnement physique et chimique. Cette capacité explique le caractère ubiquiste de C. gelidus dans l’océan Arctique, et suggère une forte résilience de l’espèce face aux perturbations majeures qui transforment cet océan. / The Arctic Ocean is recognized as the most exposed and sensitive to climate change, as underscored by a drastic reduction in the extent of summer sea ice and rapid warming of the atmosphere and sea surface. By affecting the physico-chemical conditions of the water column (e. g. available light, temperature, nutrient inputs), these alterations can impact the global functioning and biogeochemistry of the marine ecosystem by triggering changes in the growth and elemental composition (stoichiometry) of phytoplankton at the base of the food web. Although, recent studies suggest that the carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) contents as well as the stoichiometry of polar phytoplankton differ from those of phytoplankton at lower latitudes, there is a lack of data assessing how the growth and elemental stoichiometry of ecologically-relevant diatoms respond to changing environmental conditions. Since the complexity of planktonic communities makes it difficult to study the physiological response of key species in situ, this thesis employs a parallel approach that experimentally probes into the influence of physical and nutritional conditions on the growth and stoichiometry of a cosmopolitan diatom in the laboratory. Chaetoceros gelidus is widely distributed in the Arctic Ocean and its ecological importance has been repeatedly emphasized. This unprecedented study of C. gelidus shows that at low temperatures, cell quotas and elemental stoichiometry are highly dependent on the initial nitrate:phosphate ratio in the culture medium. Beyond its obvious methodological implication, this result provides a basis for extrapolating knowledge gained in the laboratory to the natural Arctic environment, where ambient nitrate:phosphate ratios vary greatly from one sector to another. The work also demonstrates that C. gelidus is able to grow at appreciable and identical rates in the presence of different N forms with uneven energetic value, and is able to maintain a fixed stoichiometry regardless of the light level and nitrogen form provided at 0 °C. This unique ability decreases as temperature increases, highlighting the key role of temperature in controlling nitrogen metabolism. Despite its psychrophilic character, C. gelidus exhibits elemental quotas that are surprisingly close to those observed for temperate diatoms, suggesting that the species combines polar and temperate traits. Beyond the new insights they shed on the nature and physiology of polar diatoms, the results of this thesis testify to the surprising ability of a key species to tolerate and cope with major disturbances in its physical and chemical growth conditions. This ability explains the ubiquitous nature of C. gelidus in the Arctic Ocean and suggests a high resiliency of the species in the face of ongoing environmental changes.

Notre recherche tend à déterminer comment il est possible d'exploiter l'étude d'un titrage pour approfondir la compréhension des notions de transformation et réaction chimiques, de stœchiométrie par des élèves du secondaire. Dans une perspective d'ingénierie didactique, des analyses des représentations des processus mis en jeu, des effets de l'enseignement usuel sont requises en préalable à l'élaboration d'une séquence d'enseignement. Une première étude sur la compréhension par les élèves de la notion de réactif limitant nous révèle l'existence de deux représentations de l'arrêt d'une transformation chimique. " Les deux réactifs sont totalement transformés dans l'état final quelles que soient les proportions dans l'état initial " est la plus commune. Cette dernière est en concurrence avec une représentation du type " un seul réactif est totalement transformé " dans le cas de réactifs dans différents états physiques (solide et solution), le solide étant privilégié. Une seconde étude traite des représentations des titrages avec différentes techniques de suivi. Elle nous montre l'existence de la représentation qu'aucune transformation n'a lieu avant l'équivalence et qu'une seule se produit à l'équivalence. Une troisième étude sur les effets de quelques variables nous permet de constater le peu d'effet de la variable " technique de suivi " contrairement à la variable " questionnement " sur la conception " mélange " avant l'équivalence. Et nous observons que le graphique de variation de conductance est plus propice à une réflexion en termes d'évolution du système chimique que le graphique de variation de pH. En conclusion, nous énonçons des propositions pour l'enseignement.

La contamination simultanée des écosystèmes aquatiques par des polluants et des nutriments est un problème majeur dont les effets sur les macrophytes sont encore méconnus. L'objectif de cette thèse était d'étudier les effets de deux types de polluants : herbicides et éléments trace métalliques (ETM), en combinaison avec des ressources variables (azote, phosphore, ou carbone) sur Myriophyllum spicatum, en utilisant des paramètres provenant de l'écologie chimique et de l'écotoxicologie. Les tests ont montré des effets contrastés des herbicides sur la plante, mais pas d'effet des ETM. Dans tous les cas, les modifications de ressources (nitrate, ratio N:P ou saccharose) ont induit des effets importants sur la physiologie et la stœchiométrie de la plante, pouvant altérer ses réponses à un stress supplémentaire comme les polluants. Ces résultats suggèrent qu'un déséquilibre des ressources en présence de polluants pourrait modifier leurs effets sur les macrophytes, et soulignent également la nécessité d'ajouter des paramètres plus informatifs dans les tests afin de répondre aux enjeux du stress multiple et améliorer l'évaluation du risque environnemental / Simultaneous contamination of aquatic ecosystems by pollutants and nutrients is a major problem whose effects on macrophytes are still unknown. The objective of this thesis was to study the effects of different pollutants, herbicides and trace metal elements (TME), in combination with varying resource availability (nitrogen, phosphorus, or carbon) on Myriophyllum spicatum, using parameters from chemical ecology and ecotoxicology. Tests showed contrasting effects of herbicides, but no effects of the TME. In all cases, resource modifications (nitrate, N:P ratio or sucrose) induced significant effects on the physiology and stoichiometry of the plant, which might alter its response to additional stress like pollutants. These results suggest that an imbalance of resources in the presence of pollutants may lead to unforeseen changes in the combined effects on macrophytes, and also highlight the need to add more informative parameters in tests to meet the challenges of multiple stress and improve environmental risk assessment.

Le but de cette étude est de comprendre la transformation thermique d'un polysilazane en carbonitrure de silicium afin de maitriser la composition de la fibre céramique dont il est le précurseur. Les deux phénomènes qu'il convient d'éviter dans l'élaboration de telles fibres sont l'oxydation et la cristallisation qui provoque la perte totale de résistance mécanique. Les différentes étapes de la transformation sont, dans un premier temps, ce que l'on désigne par transition organique-minéral ou minéralisation dans laquelle le polymère précurseur perd son caractère organique avec la production d'hydrogène et de méthane. La seconde étape est la disparition progressive de la microporosite et donc la diminution de surface spécifique, la troisième est la cristallisation du matériau carbonitrure de silicium. L'étude de la première étape conduit à deux modèles. Le premier est thermodynamique dans le sens où il propose un ensemble de réactions à l'équilibre qui rendent compte de la non-stœchiométrie en carbone et hydrogène des solides issus de calcinations isothermes du précurseur sous hydrogène et méthane. Le solide est décrit par des éléments de structure: espèces localisées sur les sites méthyle du précurseur d'origine. Les variations de leur concentration en fonction des pressions partielles d'hydrogène et de méthane et de la température se déduisent de ce modèle. Un second modèle, cinétique, a pour but de définir un ensemble d'étapes élémentaires qui justifie les pertes de masse observées au cours des calcinations isothermes précédentes. De par leurs résultats, ces modèles ont révèle un moyen d'agir sur la cristallisation du carbonitrure de silicium par un contrôle de la composition de la solution solide issue de l'étape de minéralisation.

Les hydroxyapatites (HAps) sont des matériaux basiques qui présentent des propriétés catalytiques atypiques, notamment une sélectivité importante en butanol à partir de l’éthanol. Leur versatilité en termes de composition et de morphologie, facilement contrôlée par la synthèse, s’accompagne d’une grande modularité des propriétés acido-basiques de la surface, ce qui nous a permis d’établir des relations structure-réactivité dans l’objectif de rationaliser son mode de fonctionnement au niveau moléculaire. Certes, la stœchiométrie qui traduit le rapport Ca/P est un paramètre clé pour l’activité de ces matériaux dans ce type de réaction mais il s’avère que c’est plus précisément la concentration massique des OH des colonnes qui gouverne le niveau de la réactivité, ce qui oriente vers l’implication de ces espèces en tant que sites basiques. Au delà de cet aspect macroscopique, une approche visant la discrimination des contributions des OH-, PO43- et PO-H de surface et de cœur a été menée par IR et RMN du solide via des échanges isotopiques H-D, des prétraitements thermiques et des séquences RMN spécifiques. L’implication dans les interactions acides ou basiques des sites présents en surface a été suivie par adsorption de molécules sonde. L’adsorption du CO2 a révélé le caractère basique faible de la surface des HAps en générant des hydrogénocarbonates et des carbonates, respectivement suite à l’implication des OH basiques de terminaison en surface et des oxygènes de groupements phosphates. Seuls les OH qui émergent des colonnes sont impliqués dans l’interaction avec l’acétylène, conjointement avec les acides de BrØnsted PO-H (phosphates de terminaisons protonés). Les ions calcium sont peu accessibles (adsorption de CO et données XPS) et l’augmentation de leur accessibilité relative via la modulation de paramètres post-synthèse ne favorise pas la formation du n-butanol. Le suivi de la réaction de conversion d’éthanol en mode operando appuie la participation de la paire acide-base PO-H/OH dans le processus catalytique. L’étude de l’influence de la morphologie sur le comportement catalytique des HAps nous a incités à proposer qu’au-delà d’une réactivité favorisée sur les faces (001), l’allongement des particules bénéficie aussi au processus catalytique. Plus largement, le rôle joué par la mobilité des protons qui est un processus activé en température, permettrait d’unifier l’ensemble des données expérimentales qui rendent compte d’une sensibilité à la structure. / StructureHydroxyapatites (HAps) are basic materials which exhibit atypical catalytic properties, particularly a high selectivity in n-butanol from ethanol’s conversion. Versatility in terms of composition and morphology, easily tuned by synthesis, is accompanied by a high modularity of acid-base properties of the surface, which allowed us to establish structure-reactivity relationships in order to rationalize how the system works at a molecular level. Certainly stoichiometry, represented by the bulk Ca/P ratio, is a key parameter for the activity of these materials for this type of reaction, but it seems that the concentration of OH in the columns governs the conversion level, highlighting the role of these species as basic sites. Beyond this macroscopic aspect, an approach intended for the discrimination of the bulk and surface spectroscopic contributions of OH, PO43- and PO-H was implemented by IR and solid state NMR via H-D isotopic exchanges, thermal pretreatments and specific NMR sequences. The involvement of the present sites on the surface was investigated by adsorption of probe molecules. The CO2 adsorption revealed the low basicity of the surface generating hydrogenocarbonates and carbonates, respectively as a result of the interaction with the basic surface OH and oxygens of the phosphate groups. Only basic OH sites emerging from the columns are involved in the interaction with the acetylene, in association with Brönsted acids PO-H (protonated terminated phosphates). Calcium ions are inaccessible (CO adsorption and XPS data) and the increase of its relative accessibility via the modulation of the post-synthesis parameters does not promote the formation of n-butanol. Monitoring the reaction conversion of ethanol in operando mode supports the participation of the acid-base pair PO-H/OH in the catalytic process. The study of the influence of the morphology on the catalytic behavior of HAps led us to propose that beyond the enhancement of the reactivity on the (001) surfaces, the elongation of the particles is also beneficial to the catalytic process. The role of the protons mobility, activated by temperature, may unify all the experimental data that reflect a good sensitivity to the structure.

Les cours d’eau de tête de bassin versant, malgré leurs tailles réduites, jouent des rôles importants pour le fonctionnement des milieux situés en aval, et rendent de nombreux services écologiques. Depuis l’émergence du River Continuum Concept, le fonctionnement de ces cours d’eau est considéré comme reposant principalement sur les apports allochtones de matière organique détritique par opposition aux écosystèmes aval de plus grande taille dans lesquels la production primaire autochtone est considérée comme prépondérante. Bien que les détritus soient, par définition, des ressources de moindre qualité pour leurs consommateurs que les végétaux vivants, le rôle des facteurs qui limitent la production biologique et les processus fonctionnels dans ces écosystèmes détritiques reste encore peu exploré. Par exemple la carence en éléments minéraux essentiels (notamment en azote et en phosphore) dans les détritus peut limiter le développement des organismes vivants dans les cours d’eau. De ce fait, la disponibilité en éléments minéraux dans la colonne d’eau, en stimulant la croissance, l’activité des décomposeurs et la qualité élémentaire des ressources par le processus d’immobilisation microbienne, pourrait contrôler pour partie les processus écologiques en jeu dans ces écosystèmes. En étudiant in situ la réponse des communautés microbiennes aux nutriments le long d’un gradient d’occupation des sols, nos travaux ont mis en évidence un effet positif des éléments dissous (N et P) sur la décomposition des litières et les activités enzymatiques des décomposeurs, et ce même pour les niveaux en nutriments les plus élevés du gradient, pour lesquels des effets inverses étaient attendus. Indépendamment, dans des cours d’eau anciennement soumis à de forts dépôts acidifiants, nous avons pu observer une récupération du processus de décomposition des litières. Néanmoins, cette restauration s’accompagnant d’un appauvrissement marqué en N, des perturbations du fonctionnement de ces cours d’eau pourrait se manifester à terme. Le rôle de la production primaire dans les cours d’eau de tête de bassin versant a ensuite été questionné. En effet, bien qu’étant mineur quantitativement, l’apport de carbone de forte qualité pourrait jouer un rôle non négligeable sur le fonctionnement des cours d’eau de tête de bassin versant. En particulier, l’importance et le rôle des apports en acides gras polyinsaturés (AGPI) via les biofilms phototrophes ont été questionnés. En se basant sur un suivi de terrain sur 15 cours d’eau des Vosges le long d’un gradient d’acidification, nos recherches ont tout d’abord pu mettre en évidence la présence de biofilms diatomiques riches en AGPI, malgré le caractère très forestier de ces cours d’eau. Dans un second temps, une expérience en conditions contrôlées a permis d’observer le rôle positif des apports, mêmes faibles, de ressources diatomiques sur la croissance et la survie du crustacé amphipode Gammarus fossarum. Sans cet apport, ces organismes se sont avérés incapables de maintenir leurs niveaux internes d’AGPI, suggérant qu’une consommation de producteurs primaires autochtones était indispensable à ces organismes détritivores. Nos résultats ont ainsi pu mettre en évidence les rôles fondamentaux que peuvent jouer la disponibilité en éléments dissous (N et P) et la qualité du carbone dans les ressources sur la production biologique et sur le processus de décomposition des litières dans les cours d’eau de tête de bassin versant. Ces résultats appellent désormais à investiguer plus profondément les interactions entre ces deux facteurs limitants, et à comprendre dans quels contextes l’un des facteurs pourrait suppléer l’autre. En particulier, il sera intéressant de rechercher comment diverses perturbations anthropiques (xénobiotiques, réchauffement climatique etc…) pourraient affecter l’intensité ou la nature de ces limitations / Despite their reduced sizes, headwater streams play important roles in the functioning of downstream ecosystems and provide numerous ecological services. Since the River Continuum Concept, the functioning of these streams has been considered as mainly relying on allochthonous supplies of detrital organic matter for their functioning, in contrast with downstream ecosystems of larger size where primary production is considered to be predominant. Despite that detritus represent, by definition, a resource of lower quality for its consumers than living plants, the nature of the factors limiting the biological production and functional processes in these detrital ecosystems remains sparsely explored. First, the lack of essential elements (in particular nitrogen and phosphorus) in detritus could be a major constraint for the development of living organisms in streams. As a result, the availability of mineral elements in the water column, by stimulating the growth and activity of decomposers, but also by increasing the elemental quality of resources through microbial immobilization, could control ecological processes in a higher extent than previously believed in these ecosystems. By studying in situ, the response of microorganisms to nutrients availability along a land-use gradient, our results have shown a positive effect of the dissolved elements (N and P) on the decomposition of leaf litters and the enzymatic activities of the decomposers, even for the highest nutrient levels of the gradient, for which adverse effects were expected. Independently, in streams formerly subjected to acidification, we observed a recovery of the process of leaf litter decomposition. Nevertheless, this recovery was accompanied by a marked N reduction in the ecosystem, huge changes in stream functioning might be expected in the medium to long term. The role of autochthonous primary production was then questioned. Indeed, while being quantitatively minor, this contribution of high quality carbon may play a significant role in the functioning of headwater streams. In particular, the importance and role of polyunsaturated fatty acid (PUFA) intakes via phototrophic biofilms was questioned. Based on a field survey of 15 rivers in the Vosges Mountains along an acidification gradient, our results first showed the presence of diatomic biofilms rich in PUFA, despite these streams are clearly in a forested context. In a second step, an experimentation carried out under controlled conditions permitted to observe the positive role of diatomic resources, even in low concentrations, on the growth and survival of the crustacean amphipod Gammarus fossarum. Without this input, these organisms were unable to maintain their internal levels of PUFAs, suggesting that the consumption of autochthonous primary producers might be essential for these detritivore organisms. All our results permit to highlight the fundamental roles that can be played by the availability of dissolved elements (N and P) and the carbon quality of the resources on the biological production and on leaf litter decomposition in headwater streams. These results stress the need for more profound investigation of the interactions between these two limiting factors, and for understanding in which contexts one factor could supplement the other. In particular, it will be interesting to investigate to what extent various anthropogenic disturbances (xenobiotics, global warming, etc...) could affect the intensity or the nature of these limitations

Les cycles du carbone et des nutriments des lacs sont en partie contrôlés par la sédimentation, les apports de matières terrestres, les réseaux trophiques et les interactions entre ces compartiments et processus. Les sédiments et les matières terrestres sont des sources de matière organique et de nutriments pour les écosystèmes aquatiques qui peuvent avoir un effet ascendant sur les communautés pélagiques. Les prédateurs de sommets de chaînes exercent quant à eux un contrôle descendant sur le cycle des nutriments aquatiques et sur le processus de sédimentation, via la modification des transferts de matière au sein des réseaux trophiques. Cette étude a permis de montrer que la structure du réseau trophique, en modifiant le contrôle des producteurs primaires par leurs consommateurs, influe sur les compositions élémentaire et biochimique (acides carboxyliques polyinsaturés, stérols, dérivés de la chlorophylle, protéines et sucres) de la matière organique qui sédimente et sur sa biodégradabilité. Cette modification de biodégradabilité influence en retour les biomasses du seston, du zooplancton, ou des poissons. Les matières organiques d'origines différentes (autochtone et allochtone) étudiées ont des effets contrastés sur les compositions élémentaires du seston, du zooplancton et des sédiments récemment déposés, mais très peu d'impact sur la composition des biomarqueurs lipidiques de ces compartiments. Les effets ascendants sur la structure des réseaux trophiques pélagiques des apports de matière organique sous forme de sédiment ou de terre se sont avérés assez mineurs comparés à ceux induits par la modification de la structure des réseaux trophiques aquatiques.

Cette thèse fait suite à des travaux ayant permis, de manière non reproductible, la stabilisation de l’oxyde de zinc de type-p (p-ZnO:N) sur une période de plus de deux ans par décomposition de ZnO2 sous flux de NH3. L’objectif de ces travaux était de maîtriser de manière reproductible la synthèse de p-ZnO:N sous formes de poudre, puis de couche mince, dans l’optique de réaliser des homojonctions p-ZnO:N/n-ZnO ayant de potentielles applications dans le domaine de l’optoélectronique. Dans ce but, différents paramètres de la synthèse ayant permis initialement l’obtention de p-ZnO:N fortement lacunaire en zinc (20%) ont été étudiés sans aboutir de nouveau à la stabilisation du caractère-p. La formation in-situ d’impuretés NO3- mise en évidence conduit à une ambiguïté quant à l’origine du type-p dans notre matériau. Parallèlement, une nouvelle voie de synthèse a été mise en place, en utilisant l’approche colloïdale, permettant d’obtenir des nanocristaux de ZnO inférieurs à 10 nm facilement convertibles en nanoparticules de ZnO2 par simple traitement avec une solution diluée d’H2O2 à température ambiante. Le matériau final ZnO:N est obtenu après nitruration sous flux d’ammoniac à 250°C. Ces résultats ont été efficacement transposés à la réalisation de couches minces (CM) de ZnO:N par dip-coating, mais les mesures Mott-Schottky ont également révélé une conductivité de type-n pour tous les échantillons. Enfin, les résultats préliminaires des calculs théoriques menés en parallèle de cette thèse nous ont amenés à reconsidérer les conditions de synthèse pour favoriser l'insertion de NH3 / NH4+ lors de la préparation des échantillons dans la quête de p-ZnO:N. / Cette thèse fait suite à des travaux ayant permis, de manière non reproductible, la stabilisation de l'oxyde de zinc de type-p (p-ZnO:N) sur une période de plus de deux ans par décomposition de ZnO2 sous flux de NH3. L'objectif de ces travaux était de maîtriser de manière reproductible la synthèse de p-ZnO:N sous formes de poudre, puis de couche mince, dans l'optique de réaliser des homojonctions p-ZnO:N/n-ZnO ayant de potentielles applications dans le domaine de l'optoélectronique. Dans ce but, différents paramètres de la synthèse ayant permis initialement l'obtention de p-ZnO:N fortement lacunaire en zinc (20%) ont été étudiés sans aboutir de nouveau à la stabilisation du caractère-p. La formation in-situ d'impuretés NO3- mise en évidence conduit à une ambiguïté quant à l'origine du type-p dans notre matériau. Parallèlement, une nouvelle voie de synthèse a été mise en place, en utilisant l'approche colloïdale, permettant d'obtenir des nanocristaux de ZnO inférieurs à 10 nm facilement convertibles en nanoparticules de ZnO2 par simple traitement avec une solution diluée d'H2O2 à température ambiante. Le matériau final ZnO:N est obtenu après nitruration sous flux d'ammoniac à 250°C. Ces résultats ont été efficacement transposés à la réalisation de couches minces (CM) de ZnO:N par dip-coating, mais les mesures Mott-Schottky ont également révélé une conductivité de type-n pour tous les échantillons. Enfin, les résultats préliminaires des calculs théoriques menés en parallèle de cette thèse nous ont amenés à reconsidérer les conditions de synthèse pour favoriser l'insertion de NH3 / NH4+ lors de la préparation des échantillons dans la quête de p-ZnO:N.

Dans le but d'améliorer le rendement des cellules à colorant de type p (DSSC-p), ces travaux s'attachent à la synthèse et la caractérisation de matériaux semi-conducteurs de type p (SCs-p) sous forme de nanoparticules. En ce sens, des SCs-p répondant à un cahier des charges (bande de valence basse en énergie, grande surface spécifique, bon conducteur et bonne transparence) ont été étudiés. Dans ce cadre, une stratégie a été développée pour améliorer les propriétés de NiO (l'actuel matériau de référence) en optimisant sa nanostructuration, sa forte non-stœchiométrie en nickel et par son dopage à l'azote, paramètres tous favorables à la stabilisation de la valence mixte Ni3+/Ni2+, origine de la conductivité de type p. Cette longue étude a été initiée à partir d'un précurseur de nickel original nanostructuré Ni3O2(OH)4, à forte valence mixte Ni3+/Ni2+. La décomposition sous air et sous ammoniac de ce précurseur à basse température (250 °C) a permis de préparer Ni1-xO nanostructuré, fortement non-stœchiométrique (VNi = 25 %), de grande surface spécifique (240 m2.g-1) et dopé azote (NiO:N). De plus, deux matériaux non oxydes à structure delafossite, que sont les carbodiimides de nickel (NiNCN) et de manganèse (MnNCN) ont été préparés et caractérisés comme de nouveaux semi-conducteurs de type p, permettant de monter la première DSSC-p à base de NiNCN. / To improve the performances of p-Dye Sensitized Solar Cell (p-DSSC), this thesis work focuses on the synthesis and the characterization of p-type semiconductors (p-SCs) nanomaterials. These p-SCs with some specifications (low energy valence band, high specific surface area, high conductivity and transparency) were thoroughly studied. In this context, a strategy was developed to improve the NiO nanoparticles properties (commonly used as a reference) with higher nickel non-stoichiometry and nitrogen doping to promote the stabilization of the Ni3+/Ni2+ mixed valence (origin of the p-typness). This study was initiated with a nanostructured mixed valent Ni3O2(OH)4 precursor. Its thermal decomposition in air and ammonia at low temperature (250 °C) allows the formation of nanostructured Ni1-xO with a large amount of Ni vacancies (VNi = 25 %), a high specific surface area (240 m2.g-1) and a nitrogen doping (NiO:N). Moreover, two non-oxides materials with delafossite structure type, namely - nickel carbodiimide (NiNCN) and manganese carbodiimide (MnNCN) - were prepared and characterized as new p-type semiconductors. Thus, the first p-DSSC with NiNCN material was built with success.

Les isotopes de l’Américium sont les principaux contributeurs à la radioactivité des déchets nucléaires. Parmi les scénarios pour diminuer la toxicité des déchets, la transmutation dans les réacteurs à neutrons rapides utilisant des pastilles d’oxyde mixte (U,Am)O2 est une voie prometteuse. Dans ce cadre, la connaissance des propriétés thermodynamiques du système U-Am-O est essentielle pour prédire le comportement des pastilles (U,Am)O2 en conditions nominale et accidentelle. Cette thèse est dédiée à l’étude expérimentale d’oxydes mixtes (U,Am)O2 dans une large gamme de composition (7,5 % at. ≤ Am/(Am+U) ≤ 70 % at.). L’objectif est d’acquérir des données pour développer un modèle thermodynamique avec la méthode semi-empirique CALPHAD. Les résultats peuvent être classés en trois catégories : données structurales, données de diagramme de phase et données thermodynamiques. Pour la modélisation thermodynamique d’un système ternaire, l’optimisation des sous-systèmes binaires est nécessaire. Comme des questions restaient en suspens sur le système Am-O, le diagramme de phase Am-O a tout d’abord été étudié par diffraction des rayons X à haute température. L’existence d’un domaine de composition de la phase bcc AmO1.61 a été mis en évidence et la lacune de miscibilité dans la phase fluorite, proposée dans la littérature, n’a pas été confirmée. Grâce à ces nouveaux résultats, le modèle CALPHAD de Gotcu et al a été modifié. Dans une deuxième étape, des analyses structurales des dioxydes (U,Am)O2±x ont été effectuées par DRX, XAS et spectroscopie RAMAN. La DRX a permis de confirmer que tous les échantillons sont constitués d’une seule phase de structure fluorite. Le rapport O/M (avec M=U+Am) mesuré à température ambiante est inférieur à 2 ; la stabilité de l’Américium trivalent Am3+ a été mise en évidence. Celle-ci induit l’oxydation partielle de l’U4+ en U5+. Cette distribution de charge s’accompagne par la formation de défauts de l’oxygène complexes dans la structure fluorite. Lors de l’étude par DRX HT des oxydes mixtes sous air, il a été montré que la présence d’Am3+ stabilise la phase fluorite par rapport aux oxydes plus riches en oxygène (U4O9, U3O8). De nouvelles données de diagramme de phase ont été obtenues : des conodes dans les domaines biphasés M4O9-M3O8 and MO2+x-M3O8 et la solubilité de l’Américium dans les oxydes M4O9 et M3O8. L’étude du diagramme de phase U-Am-O a été poursuivie par la détermination des températures de solidus/liquidus des oxydes mixtes par une technique de chauffage laser, sous argon et sous air, et par la caractérisation des échantillons après fusion par SEM et XAS. La température de fusion des oxydes mixtes diminue avec une teneur croissante d’Américium (Am/(Am+U)) et d’oxygène (O/(Am+U)). Finalement, les propriétés thermodynamiques des oxydes (U,Am)O2±x ont été mesurées : les incréments enthalpiques par calorimétrie de chute et les pressions partielles des espèces gazeuses par Spectrométrie de Masse couplée à une cellule de Knudsen (KEMS). Une contribution d’excès de la capacité calorifique a été observée à haute température, attribuée à la réduction des oxydes (avec formation de lacunes d’oxygène). Les résultats de KEMS ont permis de déterminer une composition congruente de vaporisation à 2300 K, pour un rapport Am/(Am+U) de 0,6 et un rapport O/(U+Am) inférieur à 1,9. Finalement, la modélisation thermodynamique du système U-Am-O par la méthode CALPHAD a été abordée par la description de la phase fluorite. Un bon accord est obtenu entre le modèle et les données de potentiel d’oxygène pour l’oxyde (U0.5Am0.5)O2±x et de distribution des cations. De plus, le modèle permet de reproduire de façon satisfaisante les données de KEMS. En perspective de ce travail, la modélisation thermodynamique du ternaire sera étendue à la description des équilibres de phase mettant en jeu les oxydes M4O9, M3O8 et la phase liquide. / Americium isotopes are the main contributors to the long-term radiotoxicity of the nuclear wastes, after the plutonium extraction. Among the reprocessing scenarios, the transmutation in fast neutron reactors using uranium-americium mixed oxide (U,Am)O2±x pellets seems promising. In this frame, the knowledge of the thermodynamics of the U-Am-O ternary system is of essential for the prediction of the behavior of (U,Am)O2 pellets and their possible interaction with the cladding, under normal and accidental conditions. This thesis is dedicated to the experimental investigation of U-Am mixed oxides on a wide range of Am contents (7.5 at.% ≤ Am/(Am+U) ≤ 70 at.%), with the aim to collect data for developing a thermodynamic model based on the semi-empirical CALPHAD method. The obtained results can be classified in three categories: structural, phase diagram and thermodynamic data. For the thermodynamic modeling of the ternary system, the assessment of the binary sub-systems is first required. As open questions still existed on the Am-O system, a first part of the work was dedicated to the study of the Am-O phase diagram by high-temperature (HT) XRD. The existence of a composition range of the bcc AmO1.61 phase was highlighted and the miscibility gap in the fluorite phase, proposed in the literature, was not found. Thanks to the new experimental data, the existing CALPHAD model of Gotcu et al. was modified. In a second step, structural investigations were performed on synthesized (U,Am)O2±x dioxides by coupling XRD, XAS and Raman spectroscopy. For all the compositions, the XRD confirmed the formation of a single fluorite structure. The O/M ratio (with M=U+Am) at room temperature was determined to be lower than 2; the stability of trivalent americium Am3+ in the dioxide solid solution was highlighted, which induces a partial oxidation of uranium from U4+ to U5+. This charge distribution, peculiar for a dioxide, is accompanied by the formation of complex oxygen defects in the fluorite structure. By a HT-XRD investigation of the mixed oxides under air combined with XAS characterization of the oxidized samples, it was shown that the presence of Am3+ leads to a stabilization of the dioxide fluorite phase toward the formation of oxides richer in oxygen, in comparison to the U-O system. New phase diagram data were obtained in the oxygen rich region at 1470 K: tie-lines in the M4O9-M3O8 and MO2+x-M3O8 domains were determined and the solubility of americium in the M4O9 and M3O8 oxides was estimated. The investigation of the U-Am-O phase diagram continued at higher temperature with the study of the solidus/liquidus transitions using a laser-heating technique, under argon and air, and post-melting characterizations conducted by SEM and XAS. The melting temperature of Am-U dioxides decreases with the increase of both the Am/(Am+U) and O/M ratios. Finally, thermodynamic properties of the U1-yAmyO2±x oxides were measured: enthalpy increments using drop calorimetry, partial vapor pressures by Knudsen cell effusion mass spectrometry (KEMS). An excess contribution to the heat capacity at high temperature was observed and this was attributed to the reduction of the dioxides at high temperature (formation of oxygen vacancies). The KEMS results lead to determine the congruent vaporization composition at 2300 K, for a Am/(Am+U) ratio of 0.6 and an O/M ratio lower than 1.9. Finally, the CALPHAD thermodynamic assessment of the U-Am-O system was started, by focusing the attention on the modelling of the fluorite phase. A good agreement between the model and the oxygen potential data for (U0.5Am0.5O2±x) and the cation distribution was achieved. Furthermore, the model is able to satisfactorily reproduce the KEMS data and hence the equilibrium between the dioxide and gas phase. For the perspectives of this work, the optimization of the thermodynamic model should be extended to describe the phase equilibria involving the M4O9, M3O8 oxides and the liquid phase.