An introduction to titanium minerals is provided along with a brief history of high tension roll (HTR) separation and its applications. Current HTR theory is critically reviewed and deficiencies in previous modelling work are identified. These problems are recognised as the likely reason why past models required empirical manipulation to reproduce observed separation behaviour. An updated theory of charge decay in a particle bed is developed for HTR applications. Particle bed interactions and their effects on electrostatic forces and discharge rates are examined, leading to a reviewed analysis of force balance. The theoretical contributions are incorporated into a new HTR model which takes a mechanistic approach to describing machine operation, as opposed to previous empirical-based work in the area. A simplified electrostatic field model is also developed. Atmospheric effects on separation behaviour are ignored in the modelling. Experimental separations are used to validate new model performance, where comparisons are specifically designed to test the theoretical developments on charge decay and force balance in a particle bed. The new model is also compared to the Dance (1992) HTR model, embedded in JKSimSand, the most recent HTR model with an empirical basis. An error analysis shows the new model performs as well as, or better, than JKSimSand in most respects. The fact that this is achieved with a mechanistic approach validates the new developments in particle bed charge decay and force theory, and sets the foundation for mechanistic HTR simulation.

[pt] Várias formas de produção de material nanoestruturado têm sido estudadas, mas uma alternativa bastante atrativa e de baixo custo surgiu no final da década de 1990, se trata da síntese hidrotérmica alcalina de nanotubos monocristalinos à base de TiO2 (método de Kasuga). Diversos óxidos de Ti já foram empregados com sucesso como precursores para a produção de nanotubos/nanofios através do método de Kasuga. O uso de areias minerais contendo Ti como precursor é uma opção muito atrativa devido ao seu baixo custo. No presente trabalho, nanomateriais 1-D de titanatos foram produzidos através do método de Kasuga utilizando areia mineral de rutilo brasileira com 89 porcento de TiO2. E o principal objetivo é verificar a relação entre o tamanho da partícula do precursor, areia de rutilo, com a morfologia nanoestruturada do produto obtido após o tratamento hidrotérmico, alcançando uma melhor compreensão do mecanismo de formação dos nanotubos/nanofios. Também foi estudado o efeito do tempo de síntese na morfologia final e a estabilidade deste material em solução aquosa ácida. / [en] Various forms of production of nanostructured material were studied, but a attractive alternative and the low cost came in the end of the 1990 decade, it is the alkali hydrothermal synthesis of nanotubos monocrystalline formed by TiO2 (Kasuga method). Various oxides of Ti already were used how precursors to production of nanotubes/nanowire through Kasuga method with success. The use of minerals sands containing Ti with precursor is an option so attractive due its low cost. In this present work, titanates 1-D nanomaterials were produced through Kasuga method using Brazilian rutile mineral sand with 89 per cent of TiO2. And the principal objective is check the relation between the particle size of precursor, rutile sand, with the morphology nanostructured of the product obtained after hydrothermal treatment, reaching a better understanding of the mechanism of nanotubes/nanowire formation. Was studied the effect of synthesis time in the morphology and the stability this material in acid aqueous solution too.

Nesse trabalho foram fabricados filmes finos de TiO2 por RF magnetron sputtering reativo sobre substrato de silício (1 0 0). A pressão parcial do oxigênio na câmara foi variada de 5 a 100% em relação ao argônio. Após a deposição os filmes foram submetidos a tratamento térmico em atmosfera de oxigênio. A estequiometria dos filmes e o perfil de profundidade foram obtidos por RBS. A estrutura cristalina foi obtida por XRD. As propriedades ópticas foram obtidas por interferometria e reflectância e as elétricas por meio das curvas C-V. Os valores de espessura dos filmes sem tratamento térmico aumentaram aproximadamente 41% com o aumento do oxigênio na câmara de deposição. Essa variação está ligada ao aumento da eficiência do sputtering do alvo. Os índices de refração dos filmes sem tratamento térmico se mantiveram dentro de um intervalo de aproximadamente 2,3 a 2,4. A diminuição do band gap com o tratamento térmico é consequência da mudança de fase cristalográfica de anatase para rutila. A estequiometria TiOx dos filmes antes do tratamento térmico apresentaram valores de x entre 2,0 e 2,4. A espessura em TFU dos filmes aumentou com o percentual de oxigênio na câmara. As amostras que receberam tratamento térmico apresentaram difusão de titânio na interface do substrato e incorporação de oxigênio no filme. Os valores da constante dielétrica aumentaram com o percentual de oxigênio na câmara, em contraposição com o efeito do tratamento térmico que diminuiu o valor. Todos os resultados observados são coerentes do ponto de vista da mudança de fase anatase rutila e aumento do percentual de oxigênio na câmara. / In this work thin films of TiO2 were produced by reactive RF magnetron sputtering on silicon substrate (1 0 0). The oxygen partial pressure in the chamber was varied from 5 to 100% in relation to argon. After deposition the films were submitted to thermal treatment under an oxygen atmosphere. The stoichiometry of the films and the depth profile were obtained by RBS. The crystal structure was obtained by XRD. Its optical properties were obtained by interferometry and reflectance and the electrical were obtained by means of the C-V curves. The thickness values of films without heat treatment increased approximately 41% with the increase of oxygen in the deposition chamber. This variation is linked to the increased sputtering efficiency of the target. The refractive indexes of films without heat treatment remained within a range of about 2.3 to 2.4. The decrease of the band gap with the heat treatment is a consequence of the change of crystallographic phase from anatase to rutile. The TiOx stoichiometry of the films before the heat treatment showed values of x between 2.0 and 2.4. The TFU thickness of the films increased with the percentage of oxygen in the chamber. The samples that received heat treatment shows diffusion of titanium at the interface of the substrate and incorporation of oxygen in the film. The values of the dielectric constant increased with the percentage of oxygen in the chamber, as opposed to the effect of the thermal treatment that decreased the value. All the results observed are consistent from the point of view of the anatase - rutile phase transition and the increase in the oxygen percentage in the chamber.

O objetivo desta Dissertação foi analisar o efeito do tratamento térmico de alívio de tensões pós-soldagem sobre a microestrutura e comportamento mecânico de soldas produzidas com arame tubular rutílico AWS E-81T1 Ni1. Foi soldada uma junta com 60 mm de espessura, na posição vertical e progressão ascendente. Esta junta foi dividida em três partes, sendo uma mantida como soldada e as outras duas tratadas termicamente por 6 horas em diferentes temperaturas, 585 °C e 650 °C. Avaliou-se o efeito do tratamento térmico sobre as propriedades mecânicas por meio de ensaio de dureza, tração e impacto Charpy-V. A caracterização microestrutural foi realizada por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. As observações experimentais mostraram uma diminuição da tenacidade ao impacto no material tratado termicamente, com uma tendência para uma queda maior com o aumento da temperatura do tratamento térmico. Este comportamento pode ser atribuído principalmente à precipitação e crescimento de carbonetos. Não foi observada a presença de mecanismos de fratura intergranular. Provavelmente o metal de solda estudado não possuía nível de impurezas suficiente para a ativação deste mecanismo. / The objective of this Dissertation was to analyze the effect of postweld heat treatment on microstructure and mechanical behavior of welds obtained by flux cored wire AWS E-81T1 Ni1. It was welded a joint with 60 mm thickness, on vertical position and ascendant progress. This joint was divided in three parts, one maintained as welded and two others heat treated for 6 hours on different temperatures, 585 °C and 650 °C. The effect of the heat treatment on mechanical properties was evaluated by means of hardness, tensile and impact Charpy-V tests. The characterization of the microstructure was undertaken utilizing optical and scanning electron microscopy. The experimental results revealed a decrease of impact toughness in heat treated material, with a tendency to a low impact toughness for high heat treatment temperature. This behavior may principally be attributed to an increase precipitation and growth of carbides. No intergranular fracture mechanism was observed. Probably the level of impurities in the weld metal studied was not high enough to provoke such phenomena.

Hydrogen-related defects in single-crystal ZnO and rutile TiO2 are investigated by means of infrared absorption, Raman scattering, photoluminescence and photoconductivity. Four different defect centers in ZnO are considered: bond-centered hydrogen (HBC ), hydrogen bound within the oxygen vacancy (HO), hydrogen molecules, and a defect, which gives rise to a local vibrational mode at 3326 cm−1 . The measurements identify HBC as a shallow donor with an ionization energy of 53 meV. The internal 1s → 2p transition of HBC is detected at 330 cm−1 in the Raman scattering and photoconductivity spectra. The decay of an exciton bound to HBC results in the photoluminescence line at 3360.1 ± 0.2 meV. The local vibrational mode of the O–H bond for bond-centered hydrogen has a frequency of 3611 cm−1 (H-I) and an effective charge of 0.28±0.03e. It is found that bond-centered hydrogen is unstable against annealing at 190 °C due to diffusion and trapping by other defects. The dominant sink is the hydrogen molecule. It is demonstrated that the well-known I4 photoluminescence line at 3362.8 meV is due to the recombination of excitons bound to the HO donor. The ionization energy of the HO donor is determined to be 47 meV. The 1s → 2pz (2pxy) electronic transition of HO is detected at 265 cm−1 in photoconductivity spectra. The formation of HO occurs via trapping of HBC at vacancies left by out-diffusing oxygen. It is shown that sub-band gap illumination leads to an intensity reduction of the O–H local vibrational mode at 3326 cm−1 and the appearance of a previously unreported infrared absorption line at 3358 cm−1. The signals are identified as stretch modes of an O–H bond associated with the same defect in different charge states. The measurements indicate that this defect has a deep level in the band gap of ZnO at roughly Ec − 1.7 eV. Additionally, results on the thermal stability, uniaxial stress response, and temperature dependence of the transition rates between the two charge states of this defect are presented. Interstitial hydrogen in rutile TiO2 is studied by infrared absorption. It is shown that the defect is a shallow donor with an ionization energy of 10 meV. The absorption lines at about 3290 cm−1 consists of local vibrational modes due to the neutral and the positive charge states of the donor with relative intensities depending on the measurement conditions. In the neutral charge state, the defect reveals two modes at 3288.3 and 3292 cm−1 (10 K), whereas the positive charge state has a vibrational mode at 3287.4 cm−1. An unknown hydrogen complex was found to contribute to the 3288 cm−1 feature.

L'étude des roches intrus ives de la zone houillère briançonnaise concerne deux phénomènes indépendants permettant d'expliquer leur évolution minéralogique et géochimique : (1) le magmatîsme hercynien (2) et le métamorphisme alpin. Le magmatisme hercynien : Il concerne presque exclusivement les roches intrusives de la série gréso-pélitique du Carbonifère et se traduit par des phénomènes cryptovolcaniques et plutoniques: sills, dykes (peu) et un pluton d'extension kilométrique, de roches surtout microgrenues porphyriques. Les liquides mis en place sont de nature dioritique et granodioritique (9/10) accompagnés d'un faible volume de granite et d'une quantité mineure de roches à tendance basaltique (dolérites s.l. ). La pétrologie et la géochimie des éléments majeurs (hormis Ca, Na et K) et en trace montrent indiscutablement l'appartenance de ce magmatisme à la lignée calco-alcaline et l'unicité de la série de différenciation à partir d'un seul magma parental. L'absence de pyroxène et d'olivine, ainsi que le comportement de V, Ni et Cr, témoignent d'une différenciation par cristallisation fractionnée intratellurique de titanomagnétite, hornblende et plagioclase; en outre, l'absence de minéraux ferromagnésiens pyrogènes anhydres (hormis la titanomagnétite) indique la très grande richesse en fluide de ce magmatisme (plus de 6 % d'eau en poids). Dans les zones fortement injectées, un autométamorphisme apparaît dans les roches intrusives, affectant ces minéraux pyrogènes ou donnant de la biotite ou de l'actino-hornblende et un métamorphisme de contact se développe dans les grès et les pélites encaissantes donnant des cornéennes. Des comparaisons géochimiques (éléments majeurs seulement) effectuées avec d'autres gisements régionaux permiens (Vallon de la Ponsonnière) font apparaitre des divergences notables portant sur le Ti et les alcalins. Le volcanisme de la zone houillère briançonnaise replacé dans le contexte géostructural européen fini-hercynien où des phénomènes volcaniques de nature très diverse (calco-alcalin, alcalin, tholéiitique )se côtoient ou se téléscopent (Vosges), est difficilement interprétable malgré ses caractères géochimiques tranchés. Le comportement géochimique peu contrasté du Ti situe ce magmatisme dans un contexte géostructural compressif et sa position paléogéographique le long de fractures profondes qui ont joué un rôle prépondérant dans l'Europe hercynienne et alpine. Le métamorphisme alpin: Les paragenèses métamorphiques se développent presque exclusivement au sein des porphyres verts (microgranodiorites - microdiorites) qui constituent un milieu chimiquement privilégié, compatible avec la cristallisation des aluminosilicates calciques typomorphes. Deux tendances principales sont mises en évidence dans les porphyres verts: (1) des associations à lawsonite exceptionnelle (région de Briançon) (2) des associations à lawsonite dominante (région de la Bissorte Arc) auxquelles s'associent à divers degrés la pumpellyite, la prehnite, l'albite, le mica blanc, la chlorite et le sphène. La différenciation chimique due au métamorphisme a surtout affecté les alcalins et le Ca. Elle se manifeste par une destruction de la molécule d'anorthite contrebalancée par une albitisation et/ou une muscovitisation qui se traduisent par un gain en Na ou en K et/ou perte substantielle en Ca. Au contraire, l'Al, élément peu mobile, présente par rapport au chimisme originel un gain marqué, manifesté par la présence de corindon normatif. Les autres éléments subissent des variations négligeables diminuées par l'augmentation de la perte au feu. Les teneurs en Li des porphyres verts intermédiaires sont anormalement élevées (X = 50.25) comparativement aux teneurs de quelques andésites non métamorphiques (Sud Pérou et Sardaigne, X = 14.62 et X = 19.04) et la corrélation Li - FeO est hautement significative. En effet, jointe à l'abondance de Fe 2 + de ces roches, la corrélation Li - FeO, et les résultats obtenus par projection vectorielle et A. C. P. N., laissent supposer que la chlorite est le minéral porteur de cet élément. Des analyses ponctuelles à la microsonde sur le couple chlorite - pumpellyite ne mettent en évidence aucune corrélation Fe/ Fe + Mg entre ces deux phases. Contrairement à la pumpellyite qui montre une grande indépendance vis à vis du chimisme de la roche hote, la chlorite montre une dépendance affirmée. Le chimisme des pumpellyites qui varie de la Fe- pumpellyite à l'Al - pumpellyite est très dépendant de fO2 qui contrôle les substitutions Fe3+ - Al3+ et Fe2+ - Mg2+ . La complexité des paragenèses métamorphiques et leur succession indiquent une grande sensibilité des aluminosilicates calciques aux faibles variations des paramètres physiques. Ainsi que le montre la grande ubiquité des paragenèses à calcite-chlorite-albite-mica blanc, a CO2 joue un rôle prépondérant dans la stabilité des aluminosilicates calciques et l'omniprésence du sphène ou du leucoxène associé aux paragénèses typomorphes permettent d'avancer une X CO2 = 0.04. Les deux paragenèses dominantes mises en évidence permettent d'établir deux sous zones dans la zone à albite-lawsonite déterminée par Saliot (1970) se répartissant de part et d'autre d'une ligne de direction relativement sécante par apport aux structures alpines. Ces divergences dans l'apparition des silicates typomorphes sont en liaison étroite avec les variations du paramètre P. Le bâti méridional ( région de Briançon) aurait subi une élévation faible de température (250 à 300°C) accompagnée d'une augmentation modérée de pression (P 2. 5 kb ) alors que le bâti septentrional ( région de Bissorte - Arc) aurait subi,pour une température équivalente, une augmentation plus brutale et plus homogène de la pression. En outre, les porphyres du Nord et le bâti sédimentaire montrent des déformations et des recristallisations plus poussées, ainsi qu'une schistosité plus marquée.

Nesta tese visamos o entendimento aprofundado dos processos e mecanismos que influenciam a performance de células solares sensibilizadas por corante (DSCs), particularmente a influência das interfaces TiO2/corante, TiO2/eletrólito e rutilo/anatase, assim contribuindo para obter dispositivos eficientes. Nesse sentido, foi investigada a influência das propriedades eletrônicas do novo corante [Ru(dcbpyH2)2(tmtH2)]Cl associadas às transições de transferência de carga MLCT e LMCT sobre a eficiência de fotoinjeção e fotoconversão de energia solar nas DSCs. Por meio da aplicação das espécies isoladas (Bu4N)3[Ru(dcbpy)2(tmtH2)], (Bu4N)4[Ru(dcbpy)2(tmtH)] e (Bu4N)5[Ru(dcbpy)2(tmt)] em DSCs, foram demonstradas as contribuições de duas bandas MLCTs e uma LMCT para a fotoconversão de energia, que foram reveladas por deconvolução dos espectros de fotoação. Além disso, aquelas espécies apresentaram valores de eficiência global corrigidos pela quantidade de corante adsorvido no TiO2 maiores do que o corante N719, indicando que os novos corantes de rutênio têm potencial de aplicação como fotossensibilizadores de células solares. Também foi investigado o mecanismo do efeito sinérgico observado em misturas de rutilo e de anatase por meio do estudo das contribuições dos processos de recombinação e de difusão de elétrons nos filmes mesoporosos mistos de TiO2 sobre a performance das DSCs, em função da distribuição daqueles nanocristais em diferentes proporções, confirmadas por microscopia Raman confocal. A impedância das interfaces/junções presentes nas DSCs foi caracterizada por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) para determinação de parâmetros fundamentais como capacitância química, resistência de difusão, resistências de recombinação, coeficiente de difusão, tempo de vida e comprimento de difusão dos elétrons dos filmes mistos de TiO2. As características I x V das células solares, ou seja, os parâmetros de eficiência global (η), densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), voltagem de circuito-aberto (Voc) e fator de preenchimento (FF) foram relacionados com os parâmetros de impedância e o grau de homogeneidade das misturas de nanopartículas de rutilo e de anatase. Em particular, foi demonstrado o papel fundamental das propriedades de difusão de elétrons nos filmes mistos de TiO2 para o aumento da performance das DSCs. Os estudos de simulação dos espectros de impedância de filmes mistos não homogêneos de TiO2 comercial Aldrich mostraram que o coeficiente de difusão de elétrons desses materiais apresenta um máximo na região de 15% de rutilo e 85% anatase, coincidindo com o máximo de eficiência das DSCs de mesma composição. De fato, diferenças sutis nas contribuições da capacitância química e resistência de difusão foram responsáveis pelo aumento do coeficiente de difusão das DSCs baseadas em filmes mistos não homogêneos de TiO2. Por outro lado, quando foi aumentada a área de contato entre as nanopartículas de anatase e de rutilo, foi observado um aumento da capacitância química e tempo de vida dos elétrons nos filmes mistos homogêneos de TiO2. Estes foram atribuídos ao aumento da eficiência de transferência de elétrons entre os nanocristais de rutilo e de anatase, que diminuiram a recombinação de elétrons e promoveram a estabilização de cargas na banda de condução do TiO2. / The understanding of the detailed mechanism and processes that influence the performance of dye-sensitized solar cells (DSCs), particularly the influence of TiO2/dye, TiO2/electrolyte and rutile/anatase interfaces, thus contributing to increase the efficiency of that devices, is the main goal of this thesis. Accordingly, we investigated the influence of the electronic properties of the new dye [Ru(dcbpyH2)2(tmtH2)]Cl associated the MLCT and LMCT charge transfer transitions on the efficiency of photoinjection and solar energy photoconversion in DSCs. The species (Bu4N)3[Ru(dcbpy)2(tmtH2)], (Bu4N)4[Ru(dcbpy)2(tmtH)] and (Bu4N)5[Ru(dcbpy)2(tmt)] were isolated and used in DSCs, revealing the contributions of two MLCTs and a LMCT band for energy conversion by deconvolution of the photoaction spectra. Interestingly, these new ruthenium dyes presented overall efficiency normalized by the amount of dye adsorbed on TiO2 larger than for the N719 dye, indicating a potential for application as photosensitizers. The mechanism of the synergistic effect observed in blends of rutile and anatase was investigated studying the contributions of the recombination and electron diffusion processes in mesoporous mixed TiO2 films on the performance of DSCs, as a function of the distribution of those nanocrystals in different proportions, as confirmed by Raman microscopy (Confocal). The impedance of interfaces/junctions present in the DSCs was carefully characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to determine key parameters such as chemical capacitance, diffusion resistance, recombination resistance, diffusion coefficient, lifetime and the electron diffusion length in mixed TiO2 films. The I x V characteristics, i.e. the overall efficiency parameter (η), density of short circuit current (Jsc), open-circuit voltage (Voc) and fill factor (FF) of solar cells were correlated with the impedance parameters and the degree of homogeneity of mixtures of rutile and anatase nanoparticles. In fact, the essential role of electron diffusion properties in the mixed TiO2 films on the performance of DSCs was demonstrated. Impedance studies of low homogeneity mixed films prepared with commercial TiO2 (Aldrich) by fitting the experimental spectra with a suitable equivalent circuit revealed that the electron diffusion coefficient of these materials exhibits a maximum at 15% rutile and 85% anatase, as expected based on the synergic effect in DSCs. In fact, subtle differences in the contributions of chemical capacitance and diffusion resistance were responsible for the increase of the electron diffusion coefficient in low homogeneity mixed TiO2 films. On the other hand, an increase in the anatase and rutile nanoparticles contact area reflected positively in the chemical capacitance and electron lifetime, as expected for an enhanced electron transfer efficiency between the rutile and anatase nanocrystals, thus decreasing the electron recombination and increasing the stability of the photoinjected charge on the TiO2 conduction band.

Nesta tese visamos o entendimento aprofundado dos processos e mecanismos que influenciam a performance de células solares sensibilizadas por corante (DSCs), particularmente a influência das interfaces TiO2/corante, TiO2/eletrólito e rutilo/anatase, assim contribuindo para obter dispositivos eficientes. Nesse sentido, foi investigada a influência das propriedades eletrônicas do novo corante [Ru(dcbpyH2)2(tmtH2)]Cl associadas às transições de transferência de carga MLCT e LMCT sobre a eficiência de fotoinjeção e fotoconversão de energia solar nas DSCs. Por meio da aplicação das espécies isoladas (Bu4N)3[Ru(dcbpy)2(tmtH2)], (Bu4N)4[Ru(dcbpy)2(tmtH)] e (Bu4N)5[Ru(dcbpy)2(tmt)] em DSCs, foram demonstradas as contribuições de duas bandas MLCTs e uma LMCT para a fotoconversão de energia, que foram reveladas por deconvolução dos espectros de fotoação. Além disso, aquelas espécies apresentaram valores de eficiência global corrigidos pela quantidade de corante adsorvido no TiO2 maiores do que o corante N719, indicando que os novos corantes de rutênio têm potencial de aplicação como fotossensibilizadores de células solares. Também foi investigado o mecanismo do efeito sinérgico observado em misturas de rutilo e de anatase por meio do estudo das contribuições dos processos de recombinação e de difusão de elétrons nos filmes mesoporosos mistos de TiO2 sobre a performance das DSCs, em função da distribuição daqueles nanocristais em diferentes proporções, confirmadas por microscopia Raman confocal. A impedância das interfaces/junções presentes nas DSCs foi caracterizada por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) para determinação de parâmetros fundamentais como capacitância química, resistência de difusão, resistências de recombinação, coeficiente de difusão, tempo de vida e comprimento de difusão dos elétrons dos filmes mistos de TiO2. As características I x V das células solares, ou seja, os parâmetros de eficiência global (η), densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), voltagem de circuito-aberto (Voc) e fator de preenchimento (FF) foram relacionados com os parâmetros de impedância e o grau de homogeneidade das misturas de nanopartículas de rutilo e de anatase. Em particular, foi demonstrado o papel fundamental das propriedades de difusão de elétrons nos filmes mistos de TiO2 para o aumento da performance das DSCs. Os estudos de simulação dos espectros de impedância de filmes mistos não homogêneos de TiO2 comercial Aldrich mostraram que o coeficiente de difusão de elétrons desses materiais apresenta um máximo na região de 15% de rutilo e 85% anatase, coincidindo com o máximo de eficiência das DSCs de mesma composição. De fato, diferenças sutis nas contribuições da capacitância química e resistência de difusão foram responsáveis pelo aumento do coeficiente de difusão das DSCs baseadas em filmes mistos não homogêneos de TiO2. Por outro lado, quando foi aumentada a área de contato entre as nanopartículas de anatase e de rutilo, foi observado um aumento da capacitância química e tempo de vida dos elétrons nos filmes mistos homogêneos de TiO2. Estes foram atribuídos ao aumento da eficiência de transferência de elétrons entre os nanocristais de rutilo e de anatase, que diminuiram a recombinação de elétrons e promoveram a estabilização de cargas na banda de condução do TiO2. / The understanding of the detailed mechanism and processes that influence the performance of dye-sensitized solar cells (DSCs), particularly the influence of TiO2/dye, TiO2/electrolyte and rutile/anatase interfaces, thus contributing to increase the efficiency of that devices, is the main goal of this thesis. Accordingly, we investigated the influence of the electronic properties of the new dye [Ru(dcbpyH2)2(tmtH2)]Cl associated the MLCT and LMCT charge transfer transitions on the efficiency of photoinjection and solar energy photoconversion in DSCs. The species (Bu4N)3[Ru(dcbpy)2(tmtH2)], (Bu4N)4[Ru(dcbpy)2(tmtH)] and (Bu4N)5[Ru(dcbpy)2(tmt)] were isolated and used in DSCs, revealing the contributions of two MLCTs and a LMCT band for energy conversion by deconvolution of the photoaction spectra. Interestingly, these new ruthenium dyes presented overall efficiency normalized by the amount of dye adsorbed on TiO2 larger than for the N719 dye, indicating a potential for application as photosensitizers. The mechanism of the synergistic effect observed in blends of rutile and anatase was investigated studying the contributions of the recombination and electron diffusion processes in mesoporous mixed TiO2 films on the performance of DSCs, as a function of the distribution of those nanocrystals in different proportions, as confirmed by Raman microscopy (Confocal). The impedance of interfaces/junctions present in the DSCs was carefully characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to determine key parameters such as chemical capacitance, diffusion resistance, recombination resistance, diffusion coefficient, lifetime and the electron diffusion length in mixed TiO2 films. The I x V characteristics, i.e. the overall efficiency parameter (η), density of short circuit current (Jsc), open-circuit voltage (Voc) and fill factor (FF) of solar cells were correlated with the impedance parameters and the degree of homogeneity of mixtures of rutile and anatase nanoparticles. In fact, the essential role of electron diffusion properties in the mixed TiO2 films on the performance of DSCs was demonstrated. Impedance studies of low homogeneity mixed films prepared with commercial TiO2 (Aldrich) by fitting the experimental spectra with a suitable equivalent circuit revealed that the electron diffusion coefficient of these materials exhibits a maximum at 15% rutile and 85% anatase, as expected based on the synergic effect in DSCs. In fact, subtle differences in the contributions of chemical capacitance and diffusion resistance were responsible for the increase of the electron diffusion coefficient in low homogeneity mixed TiO2 films. On the other hand, an increase in the anatase and rutile nanoparticles contact area reflected positively in the chemical capacitance and electron lifetime, as expected for an enhanced electron transfer efficiency between the rutile and anatase nanocrystals, thus decreasing the electron recombination and increasing the stability of the photoinjected charge on the TiO2 conduction band.

Les phases cristal-liquides minérales se situent à l'interface de la chimie colloïdale, de la physique de la matière molle et de la physique du solide. Largement utilisées dans l'industrie, les nanoparticules de TiO2 de variété rutile sont des candidates de choix à une étude visant à relier propriétés du matériau massif et propriétés d'une assemblée orientée de petits objets anisotropes.<br />Le travail présenté montrera comment il est possible d'élaborer par Chimie Douce des nanoparticules anisotropes afin d'obtenir en milieu aqueux une mésophase, de nature nématique, et de la caractériser. De plus, des suspensions de bâtonnets, même relativement diluées, s'orientent sous cisaillement, ce qui permet de produire par spin-coating des films anisotropes. Ces films sont des échantillons de choix pour effectuer des mesures, sous irradiation ultraviolette, de photocatalyse d'espèces organiques dissoutes ou encore de photoconduction. Ces mesures peuvent être comparées avec les résultats obtenus à l'aide d'un monocristal de TiO2 présentant les mêmes facettes cristallographique [110] que les nanoparticules.<br />Un film orienté de bâtonnets de rutile présente naturellement des propriétés anisotropes. En outre, nous avons mis en évidence une forte dépendance des propriétés catalytiques et de la conductivité électronique avec la polarisation de l'irradiation ultra-violette. Nous montrerons dans quelle mesure la théorie des bandes permet d'expliquer ces effets.

Ce travail, effectué dans le cadre d'une collaboration entre l'IPN d'Orsay et EDF, contribue aux études destinées à améliorer la compréhension du comportement des radioéléments en production (centrale en fonctionnement) et à l'aval du cycle électronucléaire (stockage géologique profond des déchets). Le comportement et l'évolution des radioéléments sont fortement dépendants des interactions aux interfaces eau / surface minérale, phénomènes complexes et souvent difficiles à caractériser in situ (en particulier, dans le cas du circuit primaire des centrales REP). La dynamique moléculaire basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité apporte des éléments de compréhension sur l'évolution des structures d'équilibre en prenant en compte explicitement la solvatation et les effets de la température sur les mécanismes d'interaction. Dans un premier temps, le comportement de l'ion uranyle en solution et à l'interface d'un système modèle eau / TiO2 à température ambiante a été simulé et validé par la confrontation avec des résultats expérimentaux et des calculs de DFT statiques. Dans un deuxième temps, cette approche a été employée sur ce même système, à des fins prédictives, pour étudier l'effet d'une élévation de la température. La rétention de l'ion augmente avec la température en accord avec les données expérimentales obtenues sur d'autres systèmes, et conduit également à une modification du complexe de surface. Dans un troisième temps, une étude similaire a été effectuée à l'interface eau / NiO, produit de corrosion présent dans le circuit primaire des centrales nucléaires, pour lequel peu de données expérimentales sont disponible actuellement.