Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) are electrochemical energy conversion devices which allow fuel gases, e.g. hydrogen or natural gas, to be converted to electricity and heat at much high efficiencies than combustion-based energy conversion technologies. SOFC are particularly suited to employment in stationary energy conversion applications, e.g. micro-combined heat and power (μ-CHP) and base load, which are certain to play a large role in worldwide decentralisation of power distribution and supply over the coming decades. Use of high-temperature SOFC technology within these systems is also a vital requirement in order to utilise fuel gases which are readily available in different areas of the world. Unfortunately, the limiting factor to the long-term commercialisation of SOFC systems is the redox instability, coking intolerance and sulphur poisoning of the state-of-the-art Ni-based cermet composite anode material. This research explores the ‘powder to power' development of alternative SOFC anode catalyst systems by impregnation of an A-site deficient La0.20Sr0.25Ca0.45TiO3 (LSCT[sub](A-)) anode ‘backbone' microstructure with coatings of ceria-based oxide ion conductors and metallic electrocatalyst particles, in order to create a SOFC anode which exhibits high redox stability, tolerance to sulphur poisoning and low voltage degradation rates under operating conditions. A 75 weight percent (wt. %) solids loading LSCT[sub](A-) ink, exhibiting ideal properties for screen printing of thick-film SOFC anode layers, was screen printed with 325 and 230 mesh counts (per inch) screens onto electrolyte supports. Sintering of anode layers between 1250 °C and 1350 °C for 1 to 2 hours indicated that microstructures printed with the 230 mesh screen provided a higher porosity and improved grain connectivity than those printed with the 325 mesh screen. Sintering anode layers at 1350 °C for 2 hours provided an anode microstructure with an advantageous combination of lateral grain connectivity and porosity, giving rise to an ‘effective' electrical conductivity of 17.5 S cm−1 at 850 °C. Impregnation of this optimised LSCT[sub](A-) anode scaffold with 13-16 wt. % (of the anode mass) Ce0.80Gd0.20O1.90 (CGO) and either Ni (5 wt. %), Pd, Pt, Rh or Ru (2-3 wt. %) and integration into SOFC resulted in achievement of Area Specific Resistances (ASR) of as low as 0.39 Ω cm−2, using thick (160 μm) 6ScSZ electrolytes. Durability testing of SOFC with Ni/CGO, Ni/CeO2, Pt/CGO and Rh/CGO impregnated LSCT[sub](A-) anodes was subsequently carried out in industrial button cell test rigs at HEXIS AG, Winterthur, Switzerland. Both Ni/CGO and Pt/CGO cells showed unacceptable levels of degradation (14.9% and 13.4%, respectively) during a ~960 hour period of operation, including redox/thermo/thermoredox cycling treatments. Significantly, by exchanging the CGO component for the CeO2 component in the SOFC containing Ni, the degradation over the same time period was almost halved. Most importantly, galvanostatic operation of the SOFC with a Rh/CGO impregnated anode for >3000 hours (without cycling treatments) resulted in an average voltage degradation rate of < 1.9% kh−1 which, to the author's knowledge, has not previously been reported for an alternative, SrTiO3-based anode material. Finally, transfer of the Rh/CGO impregnated LSCT[sub](A-) anode to industrial short stack (5 cells) scale at HEXIS AG revealed that operation in relevant conditions, with low gas flow rates, resulted in accelerated degradation of the Rh/CGO anode. During a 1451 hour period of galvanostatic operation, with redox cycles and overload treatments, a voltage degradation of 19.2% was observed. Redox cycling was noted to briefly recover performance of the stack before rapidly degrading back to the pre-redox cycling performance, though redox cycling does not affect this anode detrimentally. Instead, a more severe, underlying degradation mechanism, most likely caused by instability and agglomeration of Rh nanoparticles under operating conditions, is responsible for this observed degradation. Furthermore, exposure of the SOFC to fuel utilisations of >100% (overloading) had little effect on the Rh/CGO co-impregnated LSCT[sub](A-) anodes, giving a direct advantage over the standard HEXIS SOFC. Finally, elevated ohmic resistances caused by imperfect contacting with the Ni-based current collector materials highlighted that a new method of current collection must be developed for use with these anode materials.

Neste trabalho tivemos como objetivo sintetizar e caracterizar os ortossilicatos de elementos alcalino-terrosos com destaque para o Sr2SiO4, uma matriz hospedeira para íons dopantes como o cádmio II e o európio III, resultando em materiais com propriedades luminescentes. Outro objetivo é reduzir a temperatura de síntese pelos métodos aqui empregados em relação aos métodos convencionais descritos na literatura. Tanto a matriz quanto os sistemas dopados foram caracterizados por meio da difratometria de raios x, análise de área superficial e tamanho de poros, microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Os métodos empregados neste trabalho foram basicamente o da metátese e o do sal fundido, sendo que o método da metátese foi conduzido por sol-gel (utilizando-se sílica comercial e TEOS) e por precipitação em atmosfera ambiente e em atmosfera de nitrogênio. Já no método do sal fundido utilizamos duas temperaturas de síntese, 600 e 750ºC. A 750ºC foi utilizada uma mistura equimolar de cloreto de sódio e cloreto de potássio juntamente com nitrato de estrôncio e sílica mesoestruturada na proporção molar de 2:1. A 600ºC foi utilizada somente a mistura de nitrato de estrôncio e sílica mesoestruturada também na proporção molar de 2:1. Nestas duas formas de se conduzir a síntese por sal fundido utilizamos nitrato de sódio (proporção molar de Na/Si = 0,1) a fim de se facilitar a quebra das pontes de oxigênio da sílica e verificar a influência desse reagente sobre o produto final. Já o Ca2SiO4 e o Ba2SiO4 foram sintetizados apenas a 600ºC bem como as dopagens do Sr2SiO4 (1% em mol). Os resultados mostram uma densificação do produto em relação à sílica e a obtenção de nanofibras de silicatos obtidos pelo método do sal fundido. Já no método da metátese obtivemos carbonato de estrôncio e outros tipos de silicatos. / In this work our objective was to synthesize and characterize orthosilicates of alkaline-earth elements with emphasis on Sr2SiO4. This is a silicate host matrix for doping with ions such as cadmium II and europium III, resulting in materials with luminescent properties. Another objective is to reduce the synthesis temperature using the methods employed here when compared to conventional methods described the literature. Both the matrix and the doped systems were well characterized by X-ray diffraction, surface area and pore size distribution, scanning and transmission electron microscopy. The methods employed in this study were basically the metathesis and the molten salt; the metathesis method was conducted by sol-gel (using a commercial silica and tetraethyl orthosilicate TEOS) and precipitation in air and nitrogen atmospheres. In the molten salt method, two synthesis temperatures were used: 600 and 750ºC. At 750°C an equimolar mixture of sodium chloride and potassium chloride with strontium nitrate was used in addition to mesostructured silica in the molar ratio of 2:1. At 600°C only a mixture of strontium nitrate and mesostructured silica was used, also in the molar ratio of 2:1. In these two pathways, sodium nitrate (molar ratio Na/Si = 0.1) was used in order to facilitate the breakup of the silica oxygen bridges and its influence on the final product was also studied. Furthermore, Ca2SiO4 and Ba2SiO4 were synthesized only at 600ºC and the doping of Sr2SiO4 (1 mol %) was also carried out only at 600°C. The results show a densification of the product compared to the silica precursor and the formation of silicate nanofibers by the molten salt method. In the metathesis method we obtained strontium carbonate and other types of silicates.

Cette étude apporte des données sur l'intérêt des chromites de lanthane strontium dopés au ruthénium La1-xSrxCr1-yRuyO3δ (LSCrRu) comme anode de pile à combustible ITSOFC. La synthèse sous champ micro-onde d'oxydes mixtes a permis la mise en forme de demi-cellules et cellules complètes modèles par pulvérisation cathodique magnétron et par sérigraphie. Les propriétés de reformage de CH4 ont pu être étudiées dans un dispositif mono-chambre couplé à un spectromètre de masse en collaboration avec l'Institut de REcherche Hydro-Québec. La réactivité à l'interface anode/électrolyte a été analysée par SIMS et XRD sur demi-cellules modèles vieillies sous H2 à 800°C. Elle a permis de préciser la chimie du film après traitement. Les cellules complètes, testées en condition de fonctionnement, ont mis en évidence, après dissolution sélective de LSCrRu, une modification de la microstructure à l'interface anode/électrolyte. Des analyses XPS et SEM-EDX n'ont pas montré de réactivité chimique.

Actuellement, les céramiques diélectriques suscitent de nombreux travaux pour des applications microondes (résonateurs diélectriques accordables ou déphaseurs). Pour cela, elles devront être commandables - modification de la constante diélectrique sous l'action d'un champ électrique – avoir une permittivité modérée (de 30 à 1000) et des tangentes de pertes les plus faibles possibles. Dans ce but, nous avons étudié des céramiques composites à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 (BSTO) et d'un oxyde non-ferroélectrique de faible permittivité (MgTiO3 ou MgO). Il s'agissait de corréler la microstructure des céramiques et leurs propriétés diélectriques, notamment la température de Curie et les relaxations diélectriques.<br />Des céramiques à grains nanométriques de BSTO, pour comparaison à des céramiques à grains microniques obtenues par frittage conventionnel, ont été réalisées par pressage à chaud de poudres broyées par attrition. L'hypothèse que ces céramiques amélioreraient les performances des dispositifs microondes s'est avérée inexacte. Une réduction des permittivités est observée mais au détriment de la commandabilité et des pertes. Les céramiques à grains micrométriques de BSTO dopées Mn ont conduit aux meilleures performances. Cependant, les pertes mesurées atteindraient une valeur limite basse lors de l'optimisation du matériau ; il s'agirait de pertes intrinsèques au matériau dues à une relaxation diélectrique de type dipolaire dans la gamme des GHz. Il faudra le vérifier par des mesures en infra-rouge.<br />Les températures de Curie (Tc) chutent drastiquement lors de l'ajout de MgTiO3 ou MgO, montrant une réaction entre les oxydes - observée par DRX seulement pour les céramiques à base de MgTiO3. Une faible interdiffusion abaisse donc largement Tc, et de ce fait la permittivité, et dégrade la commandabilité. Pour pallier ces problèmes, une structure multicouche est testée. Un affinement des dopages des composites pourrait aussi améliorer les performances.

Les rapports isotopiques en Sr et Pb dans la fraction terrigène de sédiments marins nous permettent d'identifier les variations spatiales actuelles des apports sédimentaires autour de Taiwan : nous mettons en évidence l'augmentation progressive des apports de Taiwan (de 60% au Sud à 100% à la hauteur de Taiwan). Ces apports sont ensuite, au Nord-Est de l'île, dilués (50-60%) par du matériel de type Loess et particulaire du Fleuve Yangtze. De plus, les analyses des isotopes du Zn effectuées sur des échantillons représentatifs de Taiwan indiquent un enrichissement en isotopes lourds, qui est également observé dans la fraction silicatée de sédiments marins identifiés par les signatures isotopiques Sr-Pb comme provenant essentiellement de l'érosion de cette Chaîne.<br />A l'échelle des derniers 35ka, d'importantes variations isotopiques en Sr-Pb (terrigène) et en Cu-Zn (carbonate) sont enregistrées dans les échantillons du forage ODP 1202D (Bassin d'Okinawa). Les isotopes du Sr et du Pb mettent en évidence une augmentation des apports lœssiques durant la période du Younger Dryas : cette augmentation est reliée à une intensification de la mousson d'hiver, engendrant des vents plus forts provenant du continent asiatique. Parallèlement, les fractionnements isotopiques importants du Cu et du Zn enregistrés depuis 6.9ka seraient liés à l'incorporation préférentielle des isotopes légers par l'activité biologique dans la zone euphotique. Ainsi, les faibles fractionnements isotopiques mesurés dans les échantillons du Younger Dryas seraient dus à un mélange entre les eaux de surfaces et les eaux plus profondes du fait de l'intensification des vents, provoquant ainsi une homogénéisation isotopique.

Dans cette thèse, nous présentons la réalisation d'un piège magnéto-optique de strontium chargé à partir d'un jet atomique ralenti par laser. Pour cela, nous avons développé un laser bleu à 461 nm de puissance 200 mW obtenu en doublant la fréquence d'un laser infrarouge à semi-conducteur. Notre piège magnéto-optique nous a permis de piéger 10^7 atomes à une température de 8 mK.<br /><br />Nous avons utilisé ce gaz d'atomes froids de strontium pour étudier l'effet des interférences en diffusion multiple. Plus particulièrement, nous avons mesuré le cône de rétrodiffusion cohérente en utilisant de la lumière résonnante avec la transition J=0 - J=1 du strontium. Le facteur d'amplification proche de 2 obtenu dans le canal h // h montre que contrairement au rubidium, l'effet des interférences en diffusion multiple qui jouent un rôle crucial dans la localisation forte n'est pas réduit sur strontium.<br /><br />En vu de réaliser un piège magnéto-optique sur la transition étroite du strontium, nous avons développé un laser à 689 nm asservi en fréquence sur une cavité ultrastable. Nous avons mesuré une largeur spectrale inférieure à 1 kHz qui est suffisante pour l'expérience. Enfin, nous présentons une étude théorique du refroidissement Doppler sur une transition étroite.

Si en site octaédrique régulier la configuration de spin la plus fréquemment observée pour l'ion Co3+ (3d6) est S=0 (LS), un modèle simple faisant intervenir les énergies d'échangecorrélation et de champ cristallin permet de prévoir qu'un allongement de l'octaèdre favorise les états S=2 (HS) ou S=1 (IS). Une telle distorsion se rencontre dans la structure 1222 des cuprates de thallium. Après une mise au point délicate le composé Tl0.9Sr3LaCo2O8.6 a été préparé et caractérisé. Un équilibre de spin IS-HS ainsi que l'existence d'une valence mixte Co3+ / 2+ jouent un rôle important dans l'interprétation des propriétés électroniques. Le comportement de ce nouveau cobaltite est comparé à celui d'autres oxydes de cobalt 2D en particulier sur la base d'un calcul de structure électronique.

Les phosphates de calcium sont des biomatériaux couramment utilisés dans de nombreuses spécialités médicales. L'amélioration de ces biomatériaux vise à augmenter leur ostéointégration et leur bioactivité. Le strontium possédant d'intéressantes capacités de modification de la physiologie osseuse, l'incorporation de ce dernier au sein de phosphates de calcium par substitution ionique pourrait permettre un déplacement de la balance osseuse vers la formation osseuse.Notre travail a permis de démontrer la capacité des particules de phosphates de calcium substitués en strontium à augmenter la prolifération des ostéoblastes en culture et à modifier l'expression et la synthèse des principales protéines impliquées dans la physiologie osseuse (Collagène de type I, Serpine H1, métalloprotéinases matricielles 1 et 2, inhibiteurs tissulaires des MMPs). Par ailleurs, la poudre de phosphates de calcium ne contenant pas de strontium a entrainé une sécrétion accrue de chimiokines pro-inflammatoires (MCP-1 et GRO-?) qui n'a pas été observée pour la poudre substituée. Enfin, des études in-vivo réalisées dans un modèle de défaut osseux murin a permis de démontrer une plus grande résorbabilité de la poudre contenant du strontium et sa plus grande capacité à stimuler la réparation osseuse.

Strontium 90 (90Sr) is a radionuclide of anthropogenic origin released in large quantities in the environment as a result of nuclear atmospheric tests or accidents at nuclear facilities. 90Sr persists on a long-term basis in the environment, leading to chronic contamination by ingestion of populations living on contaminated territories. The induction of bone tumours associated with the fixation of 90Sr has been widely described. However, the occurrence of non-cancer effects is much less known. We used a mouse model with chronic contamination by ingestion of water containing 20 kBq/l of 90Sr. A biokinetic study confirmed the accumulation of 90Sr in the bones, with an increased rate of accumulation during bone growth. This accumulation was higher in the bones of females than in males. The whole-body absorbed doses ranged from 0.33 ± 0.06 mGy (birth) to 10.6 ± 0.1 mGy (20 weeks). The absorbed dose for the skeleton was up to 55 mGy. Ingestion of 90Sr induced a change in the expression of genes inducing an imbalance in favour of bone resorption, but without effect on bone morphology. No significant effect was observed for the hematopoietic system. On the other hand, minor modifications were observed for the immune system. To evaluate the functionality of the immune system, a vaccination test with TT and KLH antigens was used. Results showed in contaminated animals a significant decrease in the production of specific immunoglobulins, changes in the Th1/Th2 balance in the spleen and a disrupted B lymphocyte differentiation. These results improve the understanding of some of the non-cancerous consequences of chronic exposure at low dose of radionuclides with a long half-life, which can be accidentally released.

Cette thèse s'intéresse à l'interaction entre le couplage spin-orbite et les corrélations électroniques dans la matière condensée. En effet, de plus en plus de matériaux - tels que les isolants topologiques ou les oxydes de métaux de transition 5d à base d'iridium - présentent des propriétés pour lesquels l'interaction spin-orbite joue un rôle essentiel. Parmi eux, l'iridate de strontium (Sr2IrO4) a récemment été décrit comme un "isolant de Mott régi par les effets spin-orbite": dans cette image, l'interaction de Coulomb entre les électrons et le couplage spin-orbite se combinent pour rendre le composé isolant. Nous avons étudié la phase isolante paramagnétique de ce matériau avec l'approche LDA+DMFT, une méthode qui combine la théorie de la fonctionnelle de la densité dans l'approximation de la densité locale (LDA) avec la théorie du champ moyen dynamique (DMFT). Sr2IrO4 s'est avéré être un isolant de Mott pour une valeur raisonnable des corrélations électroniques une fois que le couplage spin-orbite et les distorsions structurales du cristal ont été pris en compte. En outre, nos résultats mettent en évidence les rôles respectifs joués par ces deux éléments dans l'obtention d'un état isolant et montrent que seule leur action conjointe permet d'ouvrir un gap de Mott dans un tel composé. Afin de réaliser cette étude, le couplage spin-orbite a dû être inclus au sein du formalisme LDA+DMFT. L'intérêt d'un tel développement technique dépasse le cas de Sr2IrO4, cette implémentation, dite "LDA+SO+DMFT", pouvant être aussi utilisée pour prendre en compte les corrélations électroniques dans d'autres oxydes de métaux de transition 5d ou même au sein des isolants topologiques.