Les synthèses par sol-gel non-hydrolytique (SGNH) d'oxydes mixtes Re-Si-Al et Mo-Si-Al sont présentées comme une voie innovante pour la préparation en une étape de catalyseurs hétérogènes de métathèse. Les catalyseurs supportés à base d'oxyde de molybdène sont intéressants du fait de leur faible coût d'achat, de leur résistance mécanique et de leur bonne activité à température modérée. Les catalyseurs supportés à base d'oxyde de rhénium sont connus pour être très actifs et sélectifs même à température ambiante. Cependant ils sont chers et la sublimation de l'oxyde de rhénium pose problème lors de leur synthèse. La synthèse utilisée est basée sur la réaction en une étape des précurseurs chlorés (ReCl5 ou MoCl3, SiCl4, AlCl3) avec du diisopropyléther (iPr2O) à 110 °C dans le dichloromethane. Le faible coût des précurseurs, l'absence de modificateurs de réactivité et de templates ainsi que la simplicité de synthèse rendent le procédé SGNH particulièrement attractif. Les catalyseurs oxydes mixtes obtenus présentent des compositions bien contrôlées, des textures mésoporeuses et avec des densités en sites acides élevées. La caractérisation par DRX, XPS et ToF-SIMS montre que les catalyseurs peuvent être décrits comme une matrice silice-alumine amorphe avec des espèces de surface Mo et Re bien dispersées. Pour les catalyseurs à base de Re, dans les compositions riches en silice, des pertes de rhénium ont été observées durant la calcination. Cette perte de rhenium peut être évitée en augmentant le taux d'alumine dans la composition. De plus, nous avons montré que la sublimation de Re, au cours de la calcination dans les compositions riches en silice, n'a pas lieu quand toutes les étapes du procédé (synthèse, lavage, séchage et calcination) sont réalisées en l'absence d'humidité. Nous avons étudié l'influence de la composition sur la texture, la structure, l'acidité et les propriétés de surface, qui sont corrélées aux performances catalytiques. Les performances des catalyseurs Re-Si-Al et Mo-Si-Al ont été évaluées en métathèse du propène et en métathèse croisée de l'éthène et du trans-2-butène. Les catalyseurs SGNH sont comparés à des catalyseurs avec des compositions similaires préparés par d'autres méthodes (imprégnation, thermal spreading, flame spray pyrolysis). Les catalyseurs préparés par SGNH présentent une très bonne activité spécifique en métathèse. / The non-hydrolytic sol-gel synthesis (NHSG) of Re-Si-Al and Mo-Si-Al mixed oxides was proposed as an innovative one step route to heterogeneous olefin metathesis catalysts. Supported molybdenum oxide catalysts are receiving much attention as a result of their relatively low price, robustness and good activity at low temperature. Supported rhenium oxide catalysts are known to be highly active and selective even at room temperature. However, they are expensive and moderately stable because of the sublimation of the rhenium oxide. The NHSG synthesis used in this work is based on the one pot reaction of chloride precursors (ReCl5 or MoCl3, SiCl4, AlCl3) with diisopropylether (iPr2O) at 110 °C in dichloromethane. The simplicity of NHSG makes it attractive: multi-step procedures, expensive precursors, or reactivity modifiers are not needed. The mixed oxide catalysts exhibited well-controlled compositions and mesoporous textures, with high acid site densities. XRD, XPS and ToF-SIMS showed that the catalysts could be described as an amorphous silica-alumina matrix with well-dispersed Re or Mo surface species. In the case of Re-based catalysts, rhenium losses by sublimation during calcination were observed for the silica-rich formulations. The loss of rhenium could however be avoided by increasing the Al content. More importantly we demonstrate that Re sublimation during calcination of silica-rich formulations is suppressed when the whole preparation procedure (synthesis, washing, drying and calcination) is carried out in the absence of water. Particular attention was devoted to the study of the influence of the composition on texture, structure, acidity and surface properties, which were correlated with the catalytic performances. The performance of selected Re-Si-Al and Mo-Si-Al catalysts was evaluated in the metathesis of propene and in the cross-metathesis of ethene and trans-2-butene. The NHSG catalysts were compared to catalysts of similar compositions prepared by other more methods (impregnation, thermal spreading, flame spray pyrolysis). The catalysts prepared by NHSG have a high specific activity in the metathesis reaction.

Afin d’augmenter la durabilité des PEMFC, des aérogels de dioxyde d'étain ont été étudiés pour remplacer le carbone comme support de catalyseur cathodique. SnO2 est un semi-conducteur de type n dont la conductivité électronique peut être améliorée en le dopant par des cations hypervalents tels que Nb5+, Ta5+ ou Sb5+. Pour être un support de catalyseur efficace, le matériau doit aussi posséder une surface spécifique élevée avec une morphologie mésoporeuse pour permettre à la fois la dispersion et l'activité du catalyseur (Pt). À cette fin, notre objectif était de développer des aérogels de SnO2 dopé. Dans cette étude, les aérogels ont été synthétisés par voie sol-gel en milieu acide à partir d’alcoxydes métalliques comme précurseurs. Nos matériaux présentent une morphologie aérée très intéressante avec une surface spécifique relativement élevée (80-90 m2/g). De plus, tous les aérogels SnO2 dopés au Sb ont présenté une amélioration très significative de la conductivité électronique pour atteindre une valeur d’environ 0,12 S/cm. Les nanoparticules de platine ont ensuite été déposées sur la surface de l'aérogel SnO2 dopé Sb en utilisant trois méthodes différentes. La méthode basée sur la réduction chimique par l’intermédiaire d’un polyol fournit le meilleur résultat en terme d'activité catalytique massique, mesurée en électrode à disque tournant (Is = 32 mA/mgPt). Cette valeur est, par ailleurs, encore plus élevée que celle de l'électrocatalyseur TEC10E40E (Is = 27 mA/mgPt). Les AMEs intégrant notre aérogel SnO2 dopé au Sb ont enfin montré une très bonne durabilité à des potentiels élevés. / In order to tackle the problem of low durability, tin dioxide aerogels were studied to replace carbon black as a catalyst support in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). SnO2 is a well-known n-type semi-conductor whose electronic conductivity can be improved by doping with hypervalent cations such as Nb5+, Ta5+ or Sb5+. In addition, as a catalyst support, this material has to develop a high specific surface area with adequate mesoporous morphology to allow both good dispersion and activity of the catalyst (Pt). To this end, our objective was to develop doped SnO2 aerogels. In this study, SnO2 based-aerogels were successfully synthesized following an acid-catalyzed sol–gel route starting with metal alkoxides as precursors. Our materials have shown a very interesting airy morphology with among other a reasonable specific surface area (80–90 m2/g). Moreover, all Sb-doped aerogels exhibited significant improvement in electronic conductivity and reach a value of around 0.12 S/cm. Platinum nanoparticles were then deposed on the Sb doped SnO2 aerogel surface using three different methods. The method based on chemical reduction using a polyol route provided the best result in term of mass catalytic activity measured by RDE (Is = 32 mA/mgPt). This value is even higher than that of the reference electrocatalyst TEC10E40E (Is = 27 mA/mgPt). Sb doped SnO2 aerogel based MEAs have exhibited a very good durability at high potentials.

Le but de ce travail était de réaliser une étude systématique de la structure électronique et magnétique de la famille des manganites semi-dopés du Ca: Ln0.50Ca0.50MnO3 (Ln=REE). Nous avons focalisé notre attention sur l'ordre de charge (CO) et l'ordre orbital (OO) présents dans les manganites. Nous avons dérivé un modèle microscopique de structure nucléaire et magnétique à partir de la diffraction neutronique sur les poudres (NPD) et de calculs ab-initio afin de comparer les résultats expérimentaux et les modèles numériques et comprendre ainsi le rôle de l'inhomogénéité chimique et magnétique dans ces systèmes. La modification de l'état de spin électronique et du métal de transition par le dopage correspond à une modification structurale de la géométrie du polyèdre de coordination des atomes autour du métal de transition, induisant des changements structurels de coopération. En contraste avec l'ordre par le dopage chimique, un désordre chimique intrinsèque est associé à l'élément de dopage sur le site A du perovskite (formule générale ABO3) où sont placés les ions trivalents (RE3+) et bivalents (Ca2+). Ceci est dû à la différence de rayon ionique et d'affinité chimique entre ces ions. Afin d'étudier systématiquement l'effet de la substitution au niveau du site A et la relation entre les propriétés structurales et magnétiques, plusieurs échantillons ont été caractérisés. Les résultats de NPD sont une étape fondamentale vers la compréhension de la relation entre les propriétés structurales et magnétique et sont une source de motivation pour l'étude de la structure magnétique et des phénomènes de CO/OO par des simulations ab-initio. L'effet Jahn-Teller, les interactions de double- et super-échange, et le modèle de Zener seront introduits. Les propriétés magnétiques macroscopiques ont été mesurées en fonction de la température á l'aide d'un SQUID. La technique microscopique principale utilisée pour cette étude a été la NPD. Les instruments utilisés à l'institut Laue Langevin à Grenoble, D20 et D1A, et la méthode de Rietveld utilisée pour affiner les données expérimentales et en extraire les informations structurales seront décrits. Les résultats expérimentaux correspondant à l'étude systématique sur les échantillons de manganites de Ln0.50Ca0.50MnO3 (Ln = Pr, Nd, Tb, Dy, Ho, Tm, Yb and Lu) et une description de leur préparation seront présentés. La susceptibilité magnétique mesurée jusqu'à 530 K présente un pic large à températures élevées correspondant à la température de CO (TCO). Nous définissons la nature des corrélations magnétiques au-dessus et en-dessous de TCO dans le cadre du modèle des polarons de Zener. Nous présentons la structure nucléaire et magnétique pour tous les échantillons en fonction de la température et les déformations dues au dopage et à l'effet du rayon ionique. Tous nos systèmes ont une configuration magnétique de type pseudo-CE à la plus basse température correspondant à un état de type CE avec un effet de canting. Nous décrirons les calculs ab-initio pour modéliser notre série : le programme VASP, utilisé pour les calculs, la théorie DFT, les approximations faite, comme le fonctionnelle d'échange-corrélation (GGA-PBE), la correction d'Hubbard (GGA+U) seront présentée. Les calculs ont été effectués pour confirmer les résultats expérimentaux et pour accéder à d'autres quantités significatives comme la densité d'états électroniques. Les simulations ont été effectuées avec la DFT spin-polarisée, le GGA-PBE, et la GGA+U, pour considérer la corrélation électronique forte. Nous avons choisi deux systèmes purs: CaMnO3 et NdMnO3. Deux systèmes semi-dopés (Ln=Nd et Lu), ont été considérés, parce que les composés avec le La et le Pr ont été déjà étudié (Picozzi, Anisimov), et nous suivons la série avec Ln=Nd, et l’outre parce que le Lu, à l'instar de La, est saturé au niveau de ses orbitales 4f et qu'il présente de surcroit le plus petit rayon ionique dans la série de lanthanides. / The aim of this work was to realize a systematic study of the electronic and magnetic structure of Ca half-doped manganite family: Ln0.50Ca0.50MnO3 (Ln=REE). In particular, we focused our attention on charge ordering (CO) and orbital ordering (OO) phenomena present in manganites. We derived a microscopic model of nuclear and magnetic structure using both neutron powder diffraction (NPD) techniques and ab-initio calculations in order to compare experimental results and numerical models and to understand the role of chemical and magnetic in-homogeneity in our systems. The change of the electronic and spin state of the transition metal by doping, corresponds to a structural modification of the coordination polyhedron geometry of the atoms around the transition metal, inducing cooperative structural changes. In contrast with this order induced by doping, an intrinsic chemical disorder is associated with the doping element on the A site of the perovskite (general formula ABO3) on which the trivalent (RE3+) and divalent ions (Ca2+) reside. This disorder is due to the difference of the ionic radius and chemical affinity between the ions. In order to study systematically the effect of the A site substitution and the relation between the structural properties and the macroscopic magnetic properties, several samples have been synthesized and characterized by macroscopic magnetic measurements. Neutron diffraction is a fundamental step towards understanding the relation between the structural and macroscopic properties. The resulting structures represent a good starting point for ab-initio calculations in the study of magnetic structure and CO/OO phenomena. Important concepts and models are described: Jahn-Teller effect, double and super-exchange interaction and the Zener polarons model. The macroscopic magnetic properties have been measured versus temperature by using a SQUID magnetometer. The principal microscopic technique used for this thesis was NPD. The technique and the layout of the instruments - D20 and D1A at the Institute Laue Langevin, Grenoble - are described together with details of the Rietveld method used to refine the diffraction data. Experimental results from the systematic study of the Ln0.50Ca0.50MnO3 (Ln = Pr, Nd, Tb, Dy, Ho, Tm, Yb and Lu) manganites, are presented, with a description of sample preparation. The magnetic susceptibility, measured up to 530 K for our samples, presents a broad peak at high temperatures corresponding to the onset of the CO (TCO). From these results we define the nature of the magnetic correlations above and below TCO in the framework of the Zener polarons model. We also present the details of the nuclear and magnetic structure for all samples versus temperature, analyzing the distortions due to the doping and the effect of the ionic radius of the cations. All our samples have a pseudo-CE magnetic configuration at the lowest temperatures, corresponding to a CE-type ground state with canting. We describe the ab-initio method using the density functional theory (DFT), that have been used to model the Ln0.50Ca0.50MnO3 series. We present DFT and we discuss the most important features (spin polarization), approximations (pseudo-potentials and exchange-correlation functional) and (Hubbard) corrections used in this work, including a presentation of the VASP code used for the DFT calculations, with the corresponding input files. These calculations have been performed to confirm our experimental results and to access other significant quantities such as the electronic density of states. The computational approach has been tested on two pure systems: CaMnO3 and NdMnO3. Two half-doped systems have been chosen with Ln=Nd and Lu. The first because the La and Pr compounds were already studied (Picozzi, Anisimov) so we continued the series with the Nd system, and the Lu has the smallest ionic radius in the lanthanides series, its 4f shell is full and Lu is therefore comparable with La.

Les équipes micro-capteurs (IM2NP) et capteurs de gaz (LMMA) développent des capteurs à base de couches minces de CuxO et étudient leurs réponses électriques sous O3. Les travaux de cette thèse ont pour but de mieux comprendre l’interaction solide-gaz à l’échelle atomique en simulant l’adsorption de l’O3 sur les surfaces (111) du CuO et du Cu2O. Pour cela nous avons utilisé la DF T (Density Functional Theory) dans le cadre de deux approximations de la fonctionnelle : la LDA (Local Density Approximation) et la GGA (Generalized Gradient Approximation).Pour le CuO, la correction de Hubbard (DF T + U) a été également prise en compte pour reproduire correctement les comportements semiconducteuret antiferromagnétique du matériau. Tous les calculs ont été menés avec le code SIESTA et montrent que pour les deux matériaux, l'ozone s’adsorbe sur la surface sans défauts, sans se dissocier, induisant un dopage p du matériau. Ceci est en accord avec la diminution de la résistance électrique mesurée expérimentalement sous ozone. Ensuite, l’ozone se dissocie en formant une molécule de O2 et un atome d’oxygène qui restent adsorbés. Cette étape ne semble pas modifier le dopage. Par contre lorsque le capteur n’est plus en présence d'O3, la molécule d’O2 désorbe et le dopage est annihilé. Dans ce mécanisme les énergies mises en jeu sont du même ordre de grandeur pour CuO ou pour Cu2O (allant de −3 eV à −1 eV). Dans l’objectif de développer un capteur de gaz, le CuO, plus facile à obtenir par les techniques de dépôt courantes en microélectronique, semble donc être plus pertinent que le Cu2O, qui a une réponse similaire (voire moindre) mais dont il est difficile d’obtenir une phase pure. / Micro-sensors (IM2NP) and gas sensors (LMMA) team develop sensors based on CuO and Cu2O thin layers and study their electrical responses to O3. The aim of this thesis is a better understanding of the solid-gas interactions at the atomic scale by simulating the adsorption of O3 molecule on the (111) surfaces of CuO and Cu2O. Simulations were performed using the DF T (Density Functional Theory) within two functional approximations : the LDA (Local Density Appriximation) and GGA (Generalized Gradient Approximation). In the case of CuO, the Hubbard correction (DF T + U) was taken into account to properly reproduce the semiconductor and antiferromagnetic behaviors of the material. All calculations were performed with the SIESTA code and show that for the CuO as for Cu2O, O3 is adsorbed on the defect-free surface, without dissociating inducing a p-doping of the material. This observation is consistent with the decrease in electrical resistance measured experimentally under ozone. In a second stage ozone dissociates into a molecule of O2 and an oxygen atom which remains adsorbed. This step does not appear to change the doping. However, when the sensor is no longer in the presence of ozone, O2 molecule is desorbed and doping disappears. In this mechanism, the energies involved during the adsorption or the dissociation of ozone are of the same order of magnitude for CuO or Cu2O (ranging from −1 eV to −3 eV). Aiming to develop a gas sensor, and since the CuO material is easier to obtain by standard deposition techniques (RF sputtering), it seems to be more appropriate than the Cu2O, which has a similar response (even lower) but is more difficult to synthesize in a pure phase.

Les oxydes d’actinides sont des matériaux hygroscopiques. L’adsorption de l’eau à leurs surfaces est susceptible d’entrainer des modifications quant à la nature ou à son état. Dans le cas des oxydes à fort débit de dose, vient s’ajouter les effets de radiolyse de l’eau, entrainant sa décomposition et générant du dihydrogène. Ces deux aspects, étude de surface et radiolyse de l’eau, ont été étudiés ici. L’étude de la génération de dihydrogène par radiolyse de l’eau adsorbée à la surface a montré que cette génération linéaire dans les premiers temps atteint une concentration stable au bout de plusieurs heures. Cet état stationnaire a été très peu observé, et est absent dans le cas d’humidité importante. Un conditionnement dans une atmosphère contenant du dihydrogène a permis de mettre en lumière une réaction de consommation du dihydrogène par le matériau. Ces expériences ont permis de faire émerger un modèle cinétique basé sur deux réactions de production et de consommation de dihydrogène. La première correspond à la décomposition de l’eau sous l’effet du rayonnement, et pour la seconde il est suspecté une réduction partielle de la surface avec la formation d’une phase sous-stœchiométrique en surface. Cependant, aucune technique d’analyse de surface n’a permis de mettre en évidence formellement cette phase. La chromatographie gazeuse inverse est une technique peu intrusive vis-à-vis des couches d’eau adsorbée du fait des températures et des pressions mis en jeux et de l’absence de dépôt d’énergie. Cette technique a été employée sur des oxydes de thorium et d’uranium. Sur oxyde de thorium, il en résulte un impact de la température de calcination, avec un maximum d’énergie de surface pour une calcination à 650°C. Par ailleurs, il a été montré que la préparation du dioxyde de thorium pouvait impacter l’état de sa surface. En effet, il a été observé une déshydratation de l’oxalate de thorium au fil du temps, impactant la structure de ce dernier. Cette modification se répercute sur la surface de l’oxyde final par une chute de l’énergie de surface et par une modification sur la répartition des sites d’adsorption en surface. Néanmoins un traitement chimique de l’oxalate permet de retrouver la réactivité de surface et une distribution des sites d’adsorption. L’hydratation de la surface montre une augmentation de l’énergie de surface, mais cette augmentation n’est observée que pour des hydratations de longues durées. / Actinide oxides are hygroscopic materials. The adsorption of water on their surfaces is likely to cause changes in the nature or condition. In the case of oxides with a high dose rate, the effects of radiolysis of the water causes the decomposition of water and generates hydrogen. These two aspects: surface study and radiolysis of water have been studied here.The study of the generation of dihydrogen by radiolysis of water adsorbed on the surface has shown that this linear generation in the early stages reaches a stable concentration after several hours. This stationary state has been very little observed, and is absent in the case of significant humidity. Conditioning in a dihydrogen-containing atmosphere made it possible to highlight a reaction of consumption of dihydrogen by the material. These experiments led to the emergence of a kinetic model based on two reactions of production and consumption of dihydrogen. The first corresponds to the decomposition of the water under the effect of the radiation, and for the second it is suspected a partial reduction of the surface with the formation of a sub-stoichiometric phase on the surface, however no technique of analysis of surface has not formally highlighted this phase.Inverse gas chromatography is a technique that is not very intrusive with respect to the adsorbed water layers because of the temperatures and pressures involved and the absence of energy deposition. This technique has been used on oxides of thorium and uranium. On thorium oxide, this results in an impact of the calcination temperature, with a maximum of surface energy for calcination at 650 ° C. In addition, it has been shown that the preparation of thorium dioxide can impact the state of its surface. Indeed, it has been observed dehydration of thorium oxalate over time, impacting the structure of the latter. This modification affects the surface of the final oxide by a drop-in surface energy and a change in the distribution of surface adsorption sites. Nevertheless, a chemical treatment of oxalate makes it possible to recover the surface reactivity and a distribution of the adsorption sites. The hydration of the surface shows an increase in surface energy, but this increase is observed only for hydrations of long duration.Keywords: water sorption, radiolysis, plutonium, inverse gas chromatography, thorium, uranium

Dans ce travail, nous avons étudié la croissance de films d’oxydes Bi2FeCrO6 (BFCO) en utilisant les techniques de sol-gel et dépôt par laser pulsé (PLD). Dans le cas de la voie chimique, des précurseurs en solution ont été préparés, puis déposés par centrifugation sur des substrats de silicium (100) ou de quartz. Les nombreuses analyses structurelles (DRX) et d'imagerie (SEM, TEM) effectuées sur ces films BFCO ont montré que les films sont assez homogènes mais présentent de nombreuses phases parasites qui peuvent être éliminés partiellement par recuit thermique rapide. Des dispositifs tests à base de films BFCO par sol-gel ont été préparés et qui ont montré des propriétés électriques limitées à cause des nombreux défauts. Des films BFCO ont également été produits par la technique PLD sur des substrats STO et NbSTO. Les propriétés structurelles, optiques et électriques sont présentées. La diffusion épitaxiale de haute qualité et les films en phase pure sont démontrés par diffraction des rayons X. Nous avons étudié l'évolution de paramètres tels que la bande interdite en fonction des conditions de croissance, montrant qu'elle peut être ajustée de 1, 9 à 2,6 eV. Ce comportement a été corroboré par des calculs théoriques sur l’arrangement atomique dans la structure BFCO. Les propriétés ferroélectriques sont étudiées par microscopie à force piézoélectrique. La lumière s'est avérée avoir un effet sur la polarisation. Il a également été démontré que la mémoire de la polarisation affecte la réponse photovoltaïque. Enfin, des dispositifs basés sur BFCO sont fabriqués et leurs propriétés photovoltaïques sont analysées. Des valeurs de tension de circuit ouvert de 600mV sont encourageantes pour la nouvelle génération de cellules solaires. / In this work, we have produced Bi2FeCrO6 oxides (BFCO) by sol-gel technique and pulsed laser deposition (PLD). By sol-gel, precursors in solution were prepared, which are then deposited by centrifugation on silicon or quartz substrates. The numerous structural (XRD) and optical images (SEM, TEM) analyses carried out on these BFCO films show that the films are fairly homogeneous but exhibit many parasitic phases, which they can be partly eliminated by rapid thermal annealing. Finally, we present the first results obtained on BFCO-SG perovskite devices. On the other hand, BFCO films were deposited on STO and Nb:STO substrates. Their structural, optical and electrical properties are presented. High-quality epitaxial growth and pure-phase films are demonstrated by X-ray diffraction. We show that the band gap of the PLD-BFCO films can be tuned from 1, 9 to 2.6 eV thanks to the variation of growth conditions. Theoretical calculations has confirmed the observed behavior and highlight the importance of the ordering phase. The ferroelectric properties of the PLD films are studied by the piezoresponse force microscopy. Illumination is shown to have a strong effect on polarization. We show that the polarization memory affects the photovoltaic response. Finally, devices based on BFCO are manufactured and their photovoltaic properties are analyzed.

En 1920, le moteur Diesel marque l'histoire en se faisant une place dans le milieu de l'automobile. Toutefois, malgré la révolution que représente le moteur Diesel notamment en terme de technologie (moteur à combustion interne dont l'allumage n'est pas commandé mais spontané par phénomène d'auto-inflammation (absence de bougie d'allumage)), des inconvénients majeurs subsistent, tout particulièrement au niveau environnemental et sanitaire (émission de gaz à effet de serre, prélèvement accru d'énergie fossile, impact direct sur la santé). Afin de lutter contre ces émissions, l'Union Européen à mit en place les normes EURO (depuis 1993) incitant les constructeurs automobiles à concevoir des procédés d'élimination des particules carbonées et à apporter des évolutions au niveau des motorisations. C'est dans ce contexte qu'a vu le jour la technologie Filtre à Particules initié par Peugeot en 1999 pour évoluer d'années en années jusqu'à être considérées aujourd'hui comme une avancée majeur en terme de traitement des particules Diesel. Encore aujourd'hui les problèmes d'émanations demeurent en raison des imbrûlés générés par le moteur diesel (suies, HC aromatiques polycycliques, d'oxyde de soufre, d'oxyde d'azote…). Les dégagements de particules de suies fines demeurant un problème particulièrement important au niveau de la santé. Cette thèse s'inscrit dans l'optique d'optimisation du procédé FàP en proposant l'élaboration de membrane à base de SiC supportée. Plus généralement, notre étude concerne l'élaboration de céramiques poreuses (membranes supportées et mousses) à base de silicium pour application environnementale et sanitaire (Filtration des particules fines, dépollution et séquestration de CO2).Le Chapitre I traite du contexte général de l'étude. La problématique des émissions de particules est abordée d'un point de vue sanitaire et environnemental en précisant les normes en vigueurs pour leur contrôle. La technologie FàP est décrite avant d'introduire le SiC et la voie dite des « polymères précéramiques » (PDCs). L'aspect catalytique est ensuite abordé avant de développer le principe d'élaboration de membrane SiC et leur intérêt pour une application de dépollution automobile.Le Chapitre II traite de l'élaboration de membranes SiC supportées. L'étude concerne l'élaboration d'un procédé optimale pour déposer une membrane au sein de la porosité du FàP qui modifierait les caractéristiques de porosité de ce dernier sans pour autant engendrer des répercussions néfastes sur la filtration. Le polymère précéramique, précurseur de SiC, sera alors décrit et nous étudierons sa mise en forme par la technique dite de « trempage-tirage » (dip-coating) afin d'élaborer, après pyrolyse, une membrane SiC. Cette dernière sera caractérisée par de nombreux outils expérimentaux.Le Chapitre III reprend le procédé d'élaboration des membranes de SiC élaboré dans le Chapitre II mais il proposera d'aller plus loin avec la réalisation et l'étude de catalyseurs pour la combustion des suies, et leur intégration au sein d'une microémulsion de type SiC-MxOy utilisée pour revêtir les FàP.Le Chapitre IV propose une étude sur la préparation de mousses à base de SiC. Ce chapitre d'aspect plus fondamental consistera à développer des mousses cellulaires et à porosité hiérarchisée à base des éléments silicium (Si), bore (B), carbone (C) et azote (N). Cette phase de carbonitrure de silicium et de bore (Si/B/C/N) sera élaborée par couplage de la voie PDCs avec soit des agents sacrificiels soit par réplication. Une étude préliminaire sur la séquestration de CO2 sera alors décrite pour finir. / Since the 90's, Diesel engines are widely used though they are criticized because of the pollution emitted. The constant updates of the Europeans norms (since 1993) concerning the diesel emissions imply a perpetual improvement of filtration techniques. The Diesel Particles Filter (DPF) technology used by the car manufacturer PSA Peugeot Citroën is one of the best ways to fulfill the limitation for diesel emissions. However, particles emission issue is still a problem and future legislations more and stricter, so an improvement of the DPF process is required to respect them. In this context, we have considered the elaboration of two different types of porous membranes on the DPF channels. The first one was in SiC, and had the aim to enhance the filtration efficiency. In this way, the smallest particles matter could be locked in the filter. The second kind of membrane integrates a catalytic phase inside the ceramic matrix, so in addition to the filtration aspect, it could improve soot combustion during the regeneration step of the DPF.The first chapter of my thesis deals with the literature corresponding to the subject, i.e. the DPF technology, non-oxides Si-based ceramics, and in particular those obtained through polymer-derived ceramics route (also called PDCs route). Then, ceramic coatings and catalytic phases are also treated. In the second chapter, we have considered the PDCs route and preceramic polymers to elaborate a SiC coating inside the DPF channels. We employed the dip-coating technique to overlay the channel surface with the AHPCS precursor of SiC (allylhydridopolycarbosilane), then, a pyrolysis under argon allows obtaining a SiC coating, in order to decrease the average pore diameter of the DPF (keeping an efficient filtration while avoiding overpressure) to catch soot nanoparticles evolving from Diesel engine.The third part of my PhD deals with the elaboration of another kind of coating for the DPF channels including a catalytic phase in the ceramic membrane. For this purpose, the microemulsion synthesis has been considered to prepare SiC-MxOy membrane. Further, we incorporated various catalytic phases based on Ce, Fe and Pt as activators of soot combustion. By employing the dip-coating technique, we successfully covered the DPF channels of our monoliths with the aforementioned microemulsion and after a heat treatment under controlled atmosphere; a porous coating consisting of the catalytic phase and the ceramic matrix was obtained. From this film, the porosity has been modified by lowering the diameter of the initial pores, but also by getting an additional porosity due to the polymer conversion and the surfactant decomposition. Catalytic sites in the ceramic have improved the soot combustion by lowering the temperature of the combustion.The fourth chapter introduces the elaboration of porous SiBCN materials through two approaches, replication and warm-pressing with sacrificial template (polymethylmethacrylate, PMMA). The SiBCN ceramic is a promising material due to its high mechanical properties and its stability at high temperature (1700-1800°C). By coupling the PDCs way with those two techniques, we are able to elaborate SiBCN porous materials which features can be tuned according to the technological application envisaged.

Récemment, les recherches scientifiques ont attiré son attention sur les domaines liés à l'énergie en raison de la consommation croissante d'énergie qui a affecté les dernières décennies. Les matériaux magnétiques sont déterminants dans les applications basées sur l'énergie et l'amélioration de leurs performances joue un rôle primordial dans le développement technologique. Le présent travail explore la possibilité de préparer des composites céramiques magnétiques hétéro-nano-structurés à base de constituants d'oxydes. Un oxyde ferromagnétique (F) a été couplé à un antiferromagnétique (AF) à l'échelle nanométrique pour étudier les propriétés magnétiques résultantes, en accordant une importance primordiale au couplage d'échange entre les deux phases. L’établissement de l’effet de biais d’échange à l’interface des phases F-AF est souhaitable pour augmenter l’anisotropie magnéto-cristalline du système et le produit énergétique relatif BHmax. Dans ce but, deux oxydes F différents ont été pris en compte, le Fe3O4 et le CoFe2O4, et trois oxydes différents de la AF, CoO, NiO et l'hématite α-Fe2O3. Des nanoparticules d'oxyde de chaque composant ont été préparées par synthèse de polyol, avec une bonne qualité cristalline et une morphologie uniforme. Ils ont ensuite été utilisés pour préparer des échantillons de céramique de consolidation par la technique SPS. Pour chaque échantillon, un oxyde F a été mélangé à l'un des oxydes AF. Les céramiques résultantes ont été formées selon différents rapports de masse F / AF, variant entre 0,75 / 0,25, 0,5 / 0,5 et 0,25 / 0,75, et selon différentes combinaisons entre les oxydes F et AF considérés. Tous les échantillons ont été frittés à 500 ° C et 100 MPa pendant 5 minutes. Toutes les céramiques ont été étudiées en profondeur, notamment en ce qui concerne leur structure, leur microstructure et leurs propriétés magnétiques. L’analyse HR-TEM réalisée sur des lames raffinées de céramiques Fe3O4-CoO, Fe3O4-NiO et CoFe2O4-NiO, ainsi que des résultats de diffraction XR, a mis en évidence une importante variation de la composition des échantillons après frittage. Une nouvelle phase métallique est formée après frittage dans l'atmosphère fortement réductrice au cours du processus SPS, modifiant ainsi la composition relative des phases F et AF individuelles. L’établissement d’effets de biais d’échange n’a guère été observé à cause de la diffusion des atomes qui affecte l’échantillon. En effet, les nanoparticules AF d'hématite se sont révélées instables dans une large plage de températures et donc inappropriées pour ce type d'application. En particulier, une transformation de phase se produisant à environ 380 ° C a été observée lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué. Une telle transition a été étudiée au moyen d’une caractérisation par magnétomètre, d’une analyse HR-TEM et d’une analyse EELS et a révélé qu’elle impliquait la transformation de l’hématite en magnétite. Le mécanisme de cette transformation n’a pas encore été compris et fait l’objet d’une enquête plus approfondie. / Recently the scientific research led its attention towards energy related fields because of the increasing energy consumption that affected the last few decades. Magnetic materials are determining in energy-based applications and the enhancement of their performances has a primary role on the technological development. The present work explores the possibility to prepare hetero-nano-structured magnetic ceramic composites based on oxide constituents. A ferromagnetic oxide (F) was coupled with an antiferromagnetic one (AF) at a nanometric size scale to study the resulting magnetic properties, above all concerting the exchange coupling between the two different phases. The establishing of the exchange-bias effect at the F-AF phases interface is desirable in order to increase the magneto-crystalline anisotropy of the system and the relative energy product BHmax. At this aim, two different F oxides were took into account, the Fe3O4 and the CoFe2O4, and three different AF oxides, CoO, NiO and hematite α-Fe2O3. Oxide nanoparticles of each component were prepared by polyol synthesis, with a good crystalline quality and uniform morphology. They were then employed to prepare consolidate ceramic samples by SPS technique. For each sample, one F oxide was mixed with one of the AF oxides. The resulting ceramics were formed by different F/AF mass ratio, varying between 0,75/0,25, 0,5/0,5 and 0,25/0,75, and by different combinations between the considered F and AF oxides. All the samples were sintered at 500°C and 100 MPa for 5 minutes. All the ceramics were deeply studied, above all concerning their structure, microstructure and magnetic properties. HR-TEM analysis performed on FIB-refined slides of the Fe3O4-CoO, Fe3O4-NiO and CoFe2O4-NiO ceramic samples, together with XRD results, highlighted an important variation of samples’ composition after sintering. A new metallic phase is formed after sintering cause to the strongly reductive atmosphere during the SPS process, thus modifying the relative composition of the single F and AF phases too. The establishing of exchange-bias effects was hardly observed exactly because of the atoms diffusion that affects the sample. The hematite AF nanoparticles, indeed, were found to be unstable in a wide temperature range and thus unsuitable for this kind of application. In particular, a phase transformation occurring at about 380°C was observed when an external magnetic field is applied. Such a transition was studied by mean of magnetometer characterisation, HR-TEM and EELS analysis and was found to involve hematite transforming into magnetite. The mechanism of such transformation hasn’t been understood yet and is under further investigation

Ce travail de thèse porte sur l’étude des mécanismes physico-chimiques mis en jeu lors du polissage mécano-chimique du Zerodur® (vitrocéramique) par un abrasif à base d’oxydes de cérium. Les défauts obtenus à l’issu du polissage ont été caractérisés en microscopie optique et par microscopie à force atomique (AFM). Il en ressort deux principales populations, à savoir des rayures de type « fines » (longitudinales et continues) causées par des débris de matière polie. La seconde est la typologie « rayure éclat » (fractures perpendiculaires au sens de la rayure) causées par des agglomérats d’abrasif. Des analyses en spectroscopie RX de l’abrasif montrent une augmentation du ratio Ce3+/Ce4+ après la phase de polissage, confirmant la part chimique du polissage du Zerodur®. Des analyses de potentiel zêta ont été menées sur ces mêmes abrasifs et montrent une évolution de la charge de surface des particules abrasives. Des observations AFM montrent que plus la part Ce4+ est importante et meilleure est la qualité finale de la surface polie. La surface polie a également été sondée en ToF-SIMS. Il en ressort la présence d’une couche enrichie en cérium de plusieurs dizaines de nanomètres, lieu de la réaction mécano-chimique de polissage. Plus précisément, cette réaction semble avoir lieu dans la phase vitreuse du Zerodur®. / This PhD work focuses on the study of the physicochemical mechanisms involved in the chemical-mechanical polishing of Zerodur® (glass-ceramics) with an abrasive based on cerium oxides. The defects observed after polishing were characterized by optical microscopy and atomic force microscopy (AFM). Two main populations were observed, namely "fine" (longitudinal and continuous stripes) caused by debris of polished material. The second is called "scratch" (perpendicular fractures) caused by abrasive agglomerates. RX spectroscopic analyzes of the abrasive showed an increase in the Ce3+/ Ce4+ ratio after the polishing phase. This point confirms the chemical part of Zerodur® polishing. Zeta potential analyzes were carried out on these same abrasives and show an evolution of the abrasive surface charge. AFM observations show that the higher the Ce4+ concentration, the better the final polished surface quality. The polished surface was also probed with ToF-SIMS analyzes. This shows the presence of a cerium-enriched layer of several tens of nanometers, which may be a site for the chemical-mechanical polishing reaction. More precisely, this reaction seems to take place in the glassy phase of Zerodur®.

Dans le cadre de la politique de réduction des émissions de gaz toxiques tels que les composés organiques volatils (COV) et les oxydes d'azote (NOx), cette étude portait sur la mise au point de catalyseurs exempts de métaux nobles, efficaces pour l'élimination simultanée des COV (propène) et des NOx en présence d'un excès d'oxygène (milieu pauvre). Deux traitements ont été envisagés : d'une part nous avons étudié la réaction d'oxydation totale du propène et d'autre part les réactions simultanées d'oxydation du propène et de réduction des NOx. Le choix s'est reporté sur les matériaux hydrotalcites qui, après calcination, permettent d'obtenir un mélange d'oxydes ayant des propriétés intéressantes en catalyse. Dans un premier temps, des catalyseurs massiques à base de Cu, de Mg et de Al ont été synthétisés par voie hydrotalcite. Nous avons pu mettre en évidence que les espèces cuivriques sous formes de petits agrégats de CuO très dispersés à la surface sont actifs pour la réduction des NOx alors que les ions CU²⁺ sous forme de cristallites de CuO sont plus actifs dans l'oxydation du propène. Afin d'améliorer les performances catalytiques de ces catalyseurs, l'incorporation de l'élément Fe dans ces matériaux a été réalisée. Pour la réaction de réduction des NOx en présence de C₃H₆, la coexistence du fer et du cuivre dans un même matériau décale la fenêtre de température de conversion des NOx vers de plus basses températures mais également diminue la conversion de NO. Par ailleurs, en vue d'accroître les valeurs de conversion de NOx, le catalyseur qui convertit le mieux les NOx a été promu par des métaux alcalins. Cs et Na ont montré un effet promoteur tandis que K a exercé un effet inhibiteur dans la réaction de réduction des NOx. Dans la dernière partie de ce travail, une introduction à l'oxydation catalytique des suies et à l'élimination simultanée du propène et des NOx en présence de suies a été envisagée. Une autre partie du travail de thèse a concerné les particules atmosphériques qui ont été collectées au Liban durant une tempête désertique provenant du désert Arabe, le but étant d'évaluer le changement morphologique et chimique qui peut avoir lieu au cours du transport à longue distance. La caractérisation de ces particules par microcopie électronique à balayage couplée à un Spectromètre à Dispersion d'Energie a montré que les grosses particules sont riches en oxydes métalliques (notamment en Si, Al, Mg, Fe, Ca...). Sur les particules fines et ultrafines nous avons pu mettre en évidence la formation d'oligomères d'organonitrates et d'organosulfates. Or, ces organonitrates proviennent de la réaction entre les COV et les NOx. / This thesis was done within the politics of reducing the emissions of toxic gases such as volatile organic compounds (VOC) and nitrogen oxides (NOx). This study aimed to optimize efficient catalysts, prepared in the absence of noble metals, for the simultaneous elimination of VOC (propylene) and NOx under excess of oxygen (lean condition). Hydrotalcite solids were chosen because of the interesting properties of the oxides obtained by their calcination. Two treatments were performed : on the one hand the propylene oxidation alone, on the other propylene oxidation and NOx reduction simultaneously. Cu, Mg and Al - based catalysts were prepared by the hydrotalcite route. The as-prepared solids were proven to be efficient in the NOx reduction due to the presence of small aggregates of well dispersed CuO on the surface. However the CU²⁺ ions in the forms of crystallites were active in the propylene reaction. In order to improve the catalytic activity, Fe element was then incorporated into the solids to substitute a part or all of the Al element and the effects were studied. In the selective catalytic reduction of NOx by the C₃H₆ the introduction of iron species into the structure lowered the temperature of complete C₃H₆ conversion but also reduced the NOx conversion. Moreover, in order to improve the NOx conversion, the catalyst that exhibited the best reduction of NOx was promoted by alkaline letals. Cs and Na showed a promoting effect while K displayed an inhibotory effect. Finally, an introduction to soot oxidation and the simultaneous elimination of propylene and NOx in the presence of soot was conducted. Another part of this work concerned atmospheric particles collected in Lebanon during dust-rich days originating from the Arabian Desert. Transformations in the morphology and chemical composition of aerosols were assessed by Scanning Electron Microscopy (SEM) equipped with an Energy Dispersive X-ray system. The results showed that coarse particles are rich in metal oxides (Si, Al, Mg, Fe, Ca...). However, over fine and ultrafine particles, the formation of organonitrates and organosulfates oligomers was observed. Yet, organonitrates sprung from the reaction between VOC and NOx.