La disparition attendue des combustibles fossiles dans un avenir proche est l'un des grands défis de ce siècle auquel nous devons faire face. Pour cela, il serait judicieux de transférer l’énergie primaire utilisée aujourd'hui en énergies renouvelables. Le secteur des transports est l'un des plus concernés par cette problématique. Une application dans ce secteur nécessite de nombreux travaux de recherche et c'est dans ce contexte que le stockage de l'hydrogène à l'intérieur des clathrate hydrates a été entrepris au cours de mon programme de recherche doctoral. Cette étude avait pour objectif d’étudier les interactions hôte-invité (dynamique) dans les clathrates hydrates et s’est étendue de la synthèse de clathrates hydrates jusque l’insertion de l'hydrogène en leur sein. Cette étude a été faite à la fois d’un point de vue expérimental et théorique : des simulations de Dynamique Moléculaire (MD) ont été utilisées afin de guider l’interprétation d’expériences de Diffusion incohérente Quasi Elastique des Neutrons (QENS). Dans un premier temps, nous avons développé cette approche méthodologique en étudiant la dynamique du clathrate hydrate de bromométhane, système prototype. Dans un deuxième temps, nous avons appliqué cette approche multi-technique à l'étude de clathrate hydrates impliqués dans la problématique du stockage d'hydrogène. Pour cela, nous avons étudié le clathrate hydrate de tétrahydrofurane (THF), utilisé comme sous-structure hôte au stockage d'hydrogène. Un dispositif expérimental original a été développé pour la préparation d'un hydrate clathrate binaires H2-THF. L’analyse des expériences de diffusion neutronique effectuée sur ce clathrate binaire a révélé l’existence de mouvements diffusifs localisés des molécules d’hydrogène à l’intérieur des cages. / The expected disappearance of fossil fuels in the near future is one of the major challenges of this century which we need to face up and it is necessary to anticipate it. For that, it will be convenient that we have begun the primary energy transfer used today to renewable energy. The sector of transport is one of the most concerned by these renewable energies. An application in this sector would require numerous research works and it is in this context that the hydrogen storage inside the clathrate hydrates has been undertaken during my PhD. This work aimed at investigating the host-guest interactions (dynamics) of clathrate hydrates and ranged from the synthesis of clathrate hydrates to the insertion of hydrogen within them. This study has been done both from experimental and theoretical point of view. Molecular Dynamics (MD) simulations were used to guide the interpretation of incoherent Quasi-Elastic Neutron Scattering (QENS) experiments. At first, we developed a methodology combining MD and QENS to investigate the dynamics of bromomethane clathrate hydrate, a prototypical system. Having validated the multi-technique approach, the methodology has been applied to investigate clathrate hydrates involved in the hydrogen storage problematic. In this issue, the tetrahydrofuran (THF) clathrate hydrate, used as host sub-structure for storing hydrogen, has been studied. An original experimental set-up has been developed for the preparation of a binary H2-THF clathrate hydrate. The analysis of QENS experiments performed on this binary clathrate hydrate revealed the existence of localized translational motion of hydrogen molecules within the clathrate cages.

Bien que le rôle actif des sucres soit connu dans la stabilisation des membranes cellulaires lors de fortes déshydratations, il s'avère que les processus à l'origine de cette protection ne sont pas encore bien compris. Néanmoins, la très grande affinité de l'eau pour le sucre, comme en témoigne la formation de très nombreuses liaisons hydrogène, est semble-t-il responsable en partie de cette propriété exceptionnelle. L'étude expérimentale de la dynamique des molécules de sucre et d'eau permettra ainsi de quantifier l'importance de ces interactions. <br /> Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés à des solutions de mono- et disaccharides (glucose, fructose et tréhalose). La diffusion quasi-élastique des neutrons a permis de mesurer, à l'échelle de la picoseconde, la dynamique de l'eau et du sucre en solution et sous confinement dans des matériaux poreux présentant un mimétisme d'échelle avec le vivant. Les deux matrices sélectionnées, c'est-à-dire un gel de silice aqueux et des nanosphères de silice mésoporeuse de type MCM-41, qui présentent des diamètres de pores de 18 et 3 nm respectivement, ont été caractérisées grâce à un large panel de techniques expérimentales (SANS, MET, MEB, Spectroscopie Raman, BET, DRX). L'effet du confinement sur la dynamique et sur les transitions de phase solide-liquide a ainsi pu être exploré, ainsi que l'effet protecteur des sucres grâce à une étude de déshydratation in-situ suivie par diffusion des neutrons aux petits angles.

L'optimisation des performances d'une pile à combustible (PEMFC) requiert la compréhension microscopique des mécanismes de transport de l'eau et du proton confinés au sein de la membrane électrolyte polymère. La membrane est un matériau nanostructuré chargé, caractérisé par une dynamique de l'eau et du proton complexe et multi-échelle étroitement corrélée à la morphologie confinante. Nous nous sommes intéressés à la relation structure - transport dans i) L'Aquivion, un ionomère perfluorosulfonique récent présentant de bonnes performances en pile, ii) des systèmes " modèles " auto-assemblés de tensioactifs perfluorés formant des phases lamellaires et hexagonales et iii) une nouvelle membrane hybride préparée par dopage en tensioactif. La nano-structuration des différents systèmes a été étudiée par diffusion de rayonnement (X et neutrons), pour caractériser l'évolution de la structure (géométrie de la matrice hôte, taille de confinement) avec l'hydratation. Ensuite, nous avons sondé la dynamique de l'eau à l'échelle moléculaire (de la picoseconde à la nanoseconde) par diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) et à l'échelle micrométrique par RMN à gradients de champs pulsés. La comparaison membranes commerciales / systèmes modèles permet de discuter l'impact de la connectivité, du confinement et de la géométrie sur le transport ionique. Enfin, des membranes hybrides à fort potentiel ont été obtenues par dopage du Nafion et de l'Aquivion avec des tensioactifs. Ces nouveaux matériaux ouvrent une voie prometteuse pour la préparation de membranes polymères fortement anisotropes avec des chemins de conduction préférentiellement orientés.

L’optimisation des performances d’une pile à combustible (PEMFC) requiert la compréhension microscopique des mécanismes de transport de l’eau et du proton confinés au sein de la membrane électrolyte polymère. La membrane est un matériau nanostructuré chargé, caractérisé par une dynamique de l’eau et du proton complexe et multi-échelle étroitement corrélée à la morphologie confinante. Nous nous sommes intéressés à la relation structure – transport dans i) L’Aquivion, un ionomère perfluorosulfonique récent présentant de bonnes performances en pile, ii) des systèmes «modèles» auto-assemblés de tensioactifs perfluorés formant des phases lamellaires et hexagonales et iii) une nouvelle membrane hybride préparée par dopage en tensioactif. La nano-structuration des différents systèmes a été étudiée par diffusion de rayonnement (X et neutrons), pour caractériser l’évolution de la structure (géométrie de la matrice hôte, taille de confinement) avec l’hydratation. Ensuite, nous avons sondé la dynamique de l’eau à l’échelle moléculaire (de la picoseconde à la nanoseconde) par diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) et à l’échelle micrométrique par RMN à gradients de champs pulsés. La comparaison membranes commerciales / systèmes modèles permet de discuter l’impact de la connectivité, du confinement et de la géométrie sur le transport ionique. Enfin, des membranes hybrides à fort potentiel ont été obtenues par dopage du Nafion et de l’Aquivion avec des tensioactifs. Ces nouveaux matériaux ouvrent une voie prometteuse pour la préparation de membranes polymères fortement anisotropes avec des chemins de conduction préférentiellement orientés. / The optimization of the Fuel Cell’s performances (PEMFC) requires a microscopic understanding of the water and proton’s transport mechanism, which are confined in a polymer electrolyte membrane. The latter is nanostructured, charged and characterized by a complex and multi-scale water and proton dynamics, closely correlated to the confining morphology. We studied the structure-transport interplay in i) the Aquivion, a recent perfluorosulfonic ionomer exhibiting good performances in fuel cell, ii) “model” systems of perfluorosulfonic surfactants, which self-assemble in lamellar and hexagonal phases and iii) a new hybrid membrane doped with surfactant. The nanostructuration of the different systems has been studied by neutron and X-ray scattering, to characterize the structural evolution (host matrix geometry, confinement sizes) with hydration. Then, we probe the water dynamics at the molecular level (from picosecond to nanosecond) with Quasi-Elastic Neutron Scattering (QENS) and at the micrometric scale with Pulsed Field Gradient NMR. The comparison of commercial membranes and model systems bring new insight on the impact of the connectivity, the confinement and the geometry, on the ionic transport. Finally, high potential hybrid membranes have been obtained by doping Nafion and Aquivion with surfactants. Those new materials open a promising way for the preparation of highly anisotropic polymer membrane, with conducting path preferentially oriented.