Lors de leur stockage ou de leur exposition, les objets du patrimoine sont soumis à des processus physico-chimiques d’altération liés à leur environnement et en particulier à l’action de polluants primaires (e.g. dioxyde de soufre, oxydes d’azote), secondaires (ozone) ou de composés organiques volatils (COVs). Il a été démontré que ces gaz/vapeurs se comportent comme des agents d’hydrolyse et d’oxydation. L’acide acétique fait partie des COVs ayant un impact considérable et reconnu dans la conservation des objets du patrimoine en particulier des films photographiques. En vue de lutter contre ses effets délétères, ce projet de thèse s’est focalisé sur la conception de nouveaux matériaux poreux hybrides multifonctionnels appelés « Metal-Organic Frameworks » (MOFs) pour la capture sélective de l’acide acétique en présence d’humidité (40% humidité relative) et à température ambiante. Les remarquables propriétés d’adsorption (sensibilité, sélectivité et capacité) et la grande versatilité des MOFs (balance hydrophile/hydrophobe, taille/forme des pores,…) ont été utilisés pour préconcentrer de façon sélective l’acide acétique en milieu humide. Les matériaux les plus performants ont ensuite été préparés sous forme de nanoparticules pour l’élaboration de films minces de qualité optique afin d’en étudier les propriétés d’adsorption et de co-adsorption (acide acétique/eau) par ellipsométrie. L’incorporation de nanoparticules métalliques plasmoniques a ensuite été effectuée afin de concevoir un capteur colorimétrique. L’objectif final de ce travail est de concevoir un nouveau type d’adsorbant caractérisé par une capacité et une sélectivité d’adsorption élevée et dont on pourrait aisément déterminer le niveau de saturation en acide acétique afin d’anticiper son remplacement et ainsi assurer la préservation des objets stockés et exposés dans les musées. / During their storage or their exhibition, the cultural heritage objects undergo physicochemical alteration processes related to their environment and in particular to the action of primary (e.g. sulfur dioxide, nitric oxides), secondary (ozone) pollutants or Volatile Organic Compounds (VOCs). It has been demonstrated that these gases/vapors are involved in hydrolysis and oxidation reactions. Among the most common VOCs encountered in museums, Acetic acid has a significant and recognized role in the deterioration of cultural heritage objects such as photographic films. In order to face this issue, this Ph.D. thesis focused on the design of new porous multifunctional hybrid materials denoted « Metal-Organic Frameworks » (MOFs) for the selective capture of acetic acid in the presence of moisture (40% relative humidity) and at room temperature. The remarkable adsorption properties (sensitivity, selectivity and capacity) and the great versatility of MOFs (hydrophicity/hydrophobicity balance, size/shape of pores,…) were used to preconcentrate selectively the acetic acid in humid conditions. The most performing materials were then prepared as nanoparticles and then used for the elaboration of high optical quality thin films in order to study the coadsorption (acetic acid/water) properties of MOFs by ellipsometry. The incorporation of plasmonic metal nanoparticles was then carried out in order to design a colorimetric sensor. The final objective is to devise a novel type of adsorbent that integrates a high VOC adsorption capacity and selectivity under humid conditions and an easy on-line monitoring of their saturation capacityin order to anticipate its replacement and therefore ensure the preservation of the stored and exhibited objects in museums.

La transformation de la biomasse lignocellulosique requiert des conditions opératoires différentes de celles employées dans les procédés du raffinage et de la pétrochimie. Ainsi, certaines transformations de produits bio-sourcés sont opérées en phase aqueuse et en température (« conditions hydrothermales (HT) » : T > 200°C, eau liquide). Les catalyseurs hétérogènes industriels constitués de supports poreux oxydes comme l’alumine se révèlent alors inadaptés. Des modifications structurales et texturales sont observées induisant des performances catalytiques instables et incompatibles avec une viabilité industrielle d’éventuels procédés. La thèse propose de développer des matériaux catalytiques présentant des propriétés de stabilité hydrothermale adaptées au traitement des nouvelles matières premières que sont la biomasse et ses réactifs dérivés. La stratégie consiste à modifier la surface d’alumine afin de la rendre stable en conditions HT. Cette modification de surface est effectuée avec l’aide d’additifs organiques (carbone, polyols) ou inorganiques (silicium).Il est montré que l’alumine devient stable lors de la saturation de certains hydroxyles de sa surface localisés spécifiquement sur les faces basales des cristallites élémentaires. Des stratégies sont développées pour de déposer sélectivement du carbone ou du silicium sur ces sites en question. Une très bonne stabilité HT est ainsi obtenue avec un taux de recouvrement de la surface proche de 20% seulement. Une phase métallique est ensuite déposée sur les matériaux stabilisés et leurs performances catalytiques sont évaluées pour l’hydrogénolyse du glycérol / Biomass transformation reactions are carried under very different conditions from those used in petroleum industry. Some bio-products are transformed in aqueous phase underhigh temperatures (hydrothermal conditions). Heterogeneous catalysts are most likely made with a porous oxide like alumina witch is not suited for such conditions. Its textural and structural properties are modified during the treatment making the material incompatible with any process. The aim of the thesis is to develop new catalytic materials with hydrothermal stability properties adapted to the treatment of biomass products. The strategy is to modify alumina surface in order to make it insensitive to water during a hydrothermal treatment. The surface modification is done with inorganic (silicon) and organic (carbon, polyols) additives.We show here that alumina is stable only if some specific hydroxyls located in basal surfaces of crystallites are saturated. We develop strategy to selectively cover those sites with carbon or silica. A very good hydrothermal stability is obtained with a surface coverage close to 20% only. Then, a metal phase is deposited on the stabilized supports and catalytic performances of the materials are evaluated through the glycerol hydrogenolysis reaction

Les matériaux nanocomposites poreux organisés présentent de nombreuses propriétés dans le domaine de l’adsorption. Cette étude est portée sur la synthèse de matériaux poreux de grande aire spécifique fonctionnalisés par des nanoparticules métalliques en visant des applications dans le domaine de l’adsorption: en phase liquide et en phase gazeuse.La première application concerne la détection en phase liquide de molécules à de faibles concentrations. Des nanocomposites composés d’une matrice poreuse de silice dans laquelle sont insérées des nanoparticules de métaux nobles (i.e. Ag@SiO2 et Au@SiO2) sont étudiés comme substrats SERS en couplant thermodynamique et spectroscopie Raman. Ce couplage de l’étude de la réponse Raman et de l’étude thermodynamique de l’adsorption a conduit à une meilleure compréhension de l’influence des particules sur le seuil de détection de la molécule. L’influence de plusieurs paramètres sur la réponse Raman de la molécule sonde et sur ses propriétés d’adsorption a aussi été étudiée (la taille des particules, la nature chimique du métal, etc.).La seconde application concerne le stockage d’hydrogène. Des nanocomposites composés de matrices poreuses de silice ou de carbone dans lesquelles sont incorporées des nanoparticules d’un métal de transition (i.e. Ni@SiO2 et Ni@Carbone) sont étudiés comme matériaux de stockage en couplant manométrie et microcalorimétrie d’adsorption. La mise en place d’une méthode de réduction adaptée a constitué une étape importante de ce travail. Ce couplage d’études thermodynamiques de l’adsorption a permis de déterminer les propriétés d’adsorption de l’hydrogène à basse température et basses pressions de ces matériaux. / Nanocomposite organized porous materials present many properties in particular in the field of adsorption. This study was based on the synthesis of porous materials of high specific surface area functionalized with metal nanoparticles focusing in particular on two applications in the field of adsorption: one in the liquid phase and the other one in the gas phase.The first application is the detection of molecules in the liquid phase at low concentrations. Nanocomposites composed of a porous silica matrix in which are inserted noble metal nanoparticles (i.e. Ag@SiO2 and Au@SiO2) are studied as SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) substrates by coupling thermodynamics and Raman spectroscopy. The coupling of the Raman response study and the thermodynamics of adsorption study leads to a better understanding of the influence of the particles on the molecule detection threshold. The influence of various parameters on the Raman response of the probe molecule and its adsorption properties were also studied (the particle size, the chemical nature of the metal, etc.)The second application relates to the storage of hydrogen since Nanocomposites composed of porous silica or carbon matrices in which are incorporated transition metal nanoparticles (i.e. Ni@SiO2 and Ni@Carbon) were studied as storage materials by coupling the adsorption manometry and microcalorimetry. The establishment of a suitable reduction method was an important step in this work. This coupling of thermodynamic studies of the adsorption was used to determine the adsorption properties of hydrogen at low temperature and low pressures of these materials.