In this dissertation, density functional theory (DFT) calculations were used to investigate (1)NO2 adsorption on BaO in NOx Storage Reduction (NSR) catalyst affected by the morphology of BaO and the γ-Al2O3 support, (2) energy barrier of H2 dissociative adsorption over Mg clusters affected by its electronic structure, and (3) comparison of the activities of CeO2 clusters affected by two different supports--monoclinic ZrO2 and non-spinel γ-Al2O3. Our results showed that the electronic effect caused by the non-stoichiometry of the bare BaO clusters and surfaces improves their reactivities toward NO2 adsorption greatly, whereas the geometric structure of the catalyst has only minor effect on the activity; we also found that the γ-Al2O3 substrate improves the reactivities of the supported BaO clusters and at the same time the interface between BaO and γ-Al2O3 provided a unique and highly reactive environment for NO2 adsorption. Hydrogen dissociation barrier over pure Mg clusters is greatly affected by the electronic structure of the clusters--closed shell clusters such as Mg10 and Mg92- have higher energy barrier toward H2 dissociation; however, H2 dissociation over clusters that are two electrons shy from the closed electronic shell are relatively easier. As substrates, neither ZrO2(111) nor γ-Al2O3(100) affects the reactivity of the supported Ce2O4 toward CO2 adsorption and CO physisorption significantly; whereas the reactivity of Ce2O4 toward CO reactive adsorption were found to be affected by the two substrates very differently.

Due to continuously stricter regulations regarding emissions from power generation processes, further development of existing gas turbine combustors is essential. A promising alternative to conventional flame combustion in gas turbines is catalytic combustion, which can result in ultralow emission levels of NOx, CO and unburned hydrocarbons. The work presented in this thesis concerns the development of methane oxidation catalysts for gas turbine combustors. The application of catalytic combustion to different combustor concepts is addressed in particular. The first part of the thesis (Paper I) reports on catalyst development for fuel-lean methane combustion. Supported Pd-based catalysts were investigated at atmospheric pressure. The effect on catalytic activity of diluting the reaction mixture with water and/or carbon dioxide was studied in order to simulate a combustion process with exhaust gas recirculation. The catalytic activity was found to decrease significantly in the presence of water and CO2. However, modifying the catalyst by changing support material can have a considerable impact on the performance. In the second part of this thesis (Papers II-IV), the development of rhodium catalysts for fuel-rich methane combustion is addressed. The effect of catalyst composition, oxygen-to-fuel ratio and catalyst pre-treatment on the methane conversion and the product gas composition was studied. An experimental investigation at elevated pressures of partial oxidation of methane/oxygen mixtures in exhaust gas-rich environments was also conducted. The most suitable catalyst identified for fuel-rich catalytic combustion of methane, i.e. Rh/Ce-ZrO2, showed benefits such as low light-off temperature, high activity and enhanced hydrogen selectivity. In the final part of the thesis (Paper V), a numerical investigation of fuel-rich catalytic combustion is presented. Measurements and predictions were compared for partial oxidation of methane in exhaust gas diluted mixtures at elevated pressures. The numerical model was validated for several Rh-based catalysts. The key parameter controlling the catalytic performance was found to be the noble metal dispersion. / QC 20110125

<p>Due to continuously stricter regulations regarding emissions from power generation processes, further development of existing gas turbine combustors is essential. A promising alternative to conventional flame combustion in gas turbines is catalytic combustion, which can result in ultralow emission levels of NO_x, CO and unburned hydrocarbons. The work presented in this thesis concerns the development of methane oxidation catalysts for gas turbine combustors. The application of catalytic combustion to different combustor concepts is addressed in particular.</p><p>The first part of the thesis (Paper I) reports on catalyst development for fuel-lean methane combustion. Supported Pd-based catalysts were investigated at atmospheric pressure. The effect on catalytic activity of diluting the reaction mixture with water and/or carbon dioxide was studied in order to simulate a combustion process with exhaust gas recirculation. The catalytic activity was found to decrease significantly in the presence of water and CO₂. However, modifying the catalyst by changing support material can have a considerable impact on the performance.</p><p>In the second part of this thesis (Papers II-IV), the development of rhodium catalysts for fuel-rich methane combustion is addressed. The effect of catalyst composition, oxygen-to-fuel ratio and catalyst pre-treatment on the methane conversion and the product gas composition was studied. An experimental investigation at elevated pressures of partial oxidation of methane/oxygen mixtures in exhaust gas-rich environments was also conducted. The most suitable catalyst identified for fuel-rich catalytic combustion of methane, i.e. Rh/Ce-ZrO₂, showed benefits such as low light-off temperature, high activity and enhanced hydrogen selectivity.</p><p>In the final part of the thesis (Paper V), a numerical investigation of fuel-rich catalytic combustion is presented. Measurements and predictions were compared for partial oxidation of methane in exhaust gas diluted mixtures at elevated pressures. The numerical model was validated for several Rh-based catalysts. The key parameter controlling the catalytic performance was found to be the noble metal dispersion.</p>

Plankerbverzahnungen zählen zu den Vertretern der Kupplungsverzahnungen, mit deren Hilfe zwei Bauteile koaxial miteinander verbunden werden können. Neben einer hohen Winkelgenauigkeit zeichnen sie sich durch eine enorme Drehmomentkapazität bei gleichzeitig geringem Montageaufwand aus. Die zur Leistungsübertragung erforderliche Vorspannkraft kann über eine zentrale Spannschraube oder mehrere dezentral, auf einem gemeinsamen Teilkreis, angeordnete Spannschrauben erzeugt werden. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur beanspruchungsgerechten Dimensionierung von Plankerbverzahnungen mit zentraler und dezentraler Verschraubung. Es wird eine Berechnungsmethode zur Bestimmung der Tragfähigkeit des Zahnfußes, der Zahnflanke und der Spannschrauben vorgestellt und anhand von Beispielrechnungen erläutert. Neben den umfangreichen theoretischen Betrachtungen werden die Ergebnisse zahlreicher experimenteller Untersuchungen präsentiert. Diese dienen der Gewinnung von grundlegenden Aussagen zur Stützwirkung und zum Mittelspannungseinfluss an einfach und mehrfach gekerbten Proben sowie zur Verifizierung des Tragfähigkeitsnachweises.

Les piles à combustible sans membrane polymérique comme les piles à combustible microfluidique ont des perspectives très intéressantes pour des applications énergétiques à basse puissance. L'étude menée consistait donc à poursuivre le développement de catalyseurs cathodiques nanométriques pouvant être utilisés en tant que cathode dans une pile à combustible microfluidique directe. Au cours de ce travail de thèse, une modification du comportement catalytique du platine a été réalisée grâce à un effet de support, d'alliage avec un métal de transition 3d (titane), ou bien encore par coordination de la surface de nanoparticules de platine avec un élément chalcogène (sélénium). Les effets induits par ces modifications sur les propriétés électroniques du matériau catalytique, et leurs implications sur son activité catalytique ont été étudiés au même titre que sa stabilité et sa tolérance vis-à-vis de petites molécules organiques. Les études ont été menées dans le but de présenter un nouveau paradigme des relations structure-activité, structure-stabilité et structure-tolérance gouvernant le comportement catalytique d'une surface de platine. Les expériences ont par voie de conséquence été conduites de façon à pouvoir séparer les effets catalytiques induits par le support, de ceux induits par un effet d'alliage ou bien encore par coordination des atomes de surface avec un élément chalcogène. En conclusion, ces études ont démontrés l'effet de l'interaction du métal avec le support (oxyde ou matériau carboné présentant divers degrés de graphitisation) sur l'activité et la stabilité des catalyseurs. Un autre point important, qui a été développé dans ce travail de thèse, est la modif / Fuel cells without polymeric membrane such as the microfluidic fuel cells (MFFC) possess very interesting perspectives for low-power energy applications. The study aimed at pursuing the development of nanometric cathodic catalysts and to study their activity, stability and tolerance in a microfluidic system. In the present thesis, the activity, stability and tolerance of Pt-based nanoparticle electrocatalysts were investigated. The effect of the support materials and the influence of surface modification by a second element including 3d transition metal (titanium) and chalcogenide (selenium) were studied. The separation and reduction of the complexity of the interaction between nanoparticles-support and nanoparticles modification by a second element enables to achieve a clear relationship of the structure-activity-stability-tolerance of the supported fuel-cell electrocatalysts. The present experimental results from the effects of the support materials and of the modification of Pt by a second element led to improve activity, stability and tolerance. The developed approach and acquired knowledge about surface property correlation can be further generalized and used in the design of advanced selective electrocatalysts. Furthermore, the synthesized electrocatalysts were used as cathode in an organic microfluidic fuel cell.

L’objectif principal de cette thèse était de mieux comprendre le comportement photochimique des pesticides pulvérisés dans les serres agricoles à Menyeh-Liban Nord. La première partie du travail a été consacrée à l’analyse des échantillons de poivrons verts, concombres, tomates, des films de plastique et de l’air récupérés dans ces serres agricoles. Nous avons quantifié et suivi par HPLC-HR-MS les résidus de 4 pesticides: bifénazate (BIF), acétamipride, imidaclopride et thiophanate méthyl (TM) dans les échantillons de légumes extraits par la méthode QUECHERS. Les quantités retrouvées durant les 6 jours suivant la pulvérisation étaient bien supérieures aux MRLs imposées pour chaque pesticide. Par ailleurs, des photoproduits de TM, BIF et de l’imidaclopride ont été détectés dans les solutions de rinçage de la surface des tomates, des concombres et des poivrons verts, démontrant ainsi la possibilité de photodégradation des pesticides à l’intérieur d’une serre agricole. L’analyse de la phase gazeuse par GC-MS a révélé la libération de terpènes, d’alcanes et d’aldéhydes comme réponse des plantes au stress de température et de pulvérisation. Dans une deuxième partie, on a détaillé les mécanismes de transformation photochimique du BIF et du TM sous irradiations simulées. La photodégradation de TM avait un caractère autoaccéléré qui n’a jamais été rapporté dans la littérature. Une étude détaillée nous a permis de démontrer que cette auto-accélération est due à la formation d’un photoproduit photosensibilisateur dérivé de la quinoxaline. Quant au BIF, sa vitesse de dégradation et la nature des produits dépendaient du milieu (ACN, eau, cire et poivron verts). Ces travaux ont mis en évidence l’effet de support et de mélange sur le comportement photochimique des pesticides. / The main purpose of this work was to better understand the photochemical behavior of pesticides used in agricultural greenhouses in Menyeh-North Lebanon. The first part was dedicated to the analysis of green peppers, cucumbers, tomatoes, plastic films and air samples from these agricultural greenhouses. HPLC-HR-MS was used to quantify and monitor the residues of 4 pesticides: bifenazate (BIF), acetamiprid, imidacloprid and thiophanate methyl (TM) after QUECHERS extraction of the vegetables samples. The quantities of pesticides found within 6 days after spraying were well above the MRLs imposed for each one. Then, the photoproducts of TM, BIF and imidacloprid were identified after rinsing the surface of tomatoes, cucumbers and green peppers. This demonstrated the possibility of photodegradation of pesticides even inside an agricultural greenhouse. Gas phase analysis by GC-MS revealed the presence of terpenes, alkanes and aldehydes as the response of plants to temperature and spraying stresses. In a second part, we studied the photochemical mechanisms of BIF and TM in the laboratory under simulated irradiation. The auto-accelerated photodegradation of TM was reported for the first time. A detailed study enabled us to demonstrate that this auto-acceleration was due to the formation of a photosensitizing photoproduct derived from quinoxaline. The rate of degradation of BIF and the nature of the products were dependent on the medium (ACN, water, wax and green peppers). These results highlighted the effect of support and mixture on the photochemical behavior of pesticides.

L’activité catalytique de l’or en réaction d’oxydation préférentielle du CO (PROX) dépend de plusieurs facteurs tels que la nature du support, l’ajout de promoteurs, la taille des particules ou la nature du prétraitement. L’objectif de cette thèse a donc été de clarifier l’influence de ces paramètres sur cette réaction en utilisant des catalyseurs à base d’or modifiés. Dans une 1ère partie, nous avons étudié un système à base d’or supporté sur des oxydes Ce-Fe préparés par co-imprégnation ou imprégnations successives en faisant varier le rapport Ce/Fe. Le dopage de la cérine par le fer conduit à la formation d’une solution solide qui améliore l’activité en PROX en raison d’une mobilité d’oxygène accrue. Dans une 2ème partie, nous avons évalué une série de supports (Al2O3, CeO2 et Ce2Zr2O7) pour optimiser le dépôt de Au, Cu ou Au-Cu. La combinaison Au-Cu/CeO2 s’est révélée être la meilleure en PROX. Nous avons donc étudié l’influence du rapport Au/Cu (1/3, 1/1 ou 3/1) ainsi que l’influence du pré-traitement (calcination ou réduction) sur ce système. Les catalyseurs ont été systématiquement caractérisés par des méthodes physico-chimiques (BET, DRX, MET, XPS, RTP, FTIR). Les performances catalytiques du système Au-Cu/CeO2 dépendent fortement de la taille des particules, de l’état chimique de l’or déterminé par XPS, de l’interaction Au-support et de la distribution de surface des 2 métaux. Une étude cinétique corrélée à de l’infrarouge à transformée de Fourier a permis d’établir un mécanisme de réaction d’oxydation de CO dans le lequel CO adsorbé réagit avec O2 adsorbé pour conduire à la formation de CO2. / The catalytic activity of gold for CO preferential oxidation in rich hydrogen (PROX) is generally influenced by various parameters such as the nature of support, the addition of a promoter, the particle size or the pre-treatment. Therefore, the objectives of this work were to clarify the influence of these parameters on a series of modified gold catalysts in PROX reaction. In a 1rst part, we have studied a system based on Au supported on Ce-Fe oxides prepared by co-precipitation or impregnation with various Ce/Fe ratios. The doping of CeO2 by iron led to the formation of a solid solution which improved the PROX activity due to an increase of the oxygen mobility. In a 2nd part, a series of supports (Al2O3, CeO2, and Ce2Zr2O7) was evaluated in order to load Au, Cu or Au-Cu. The combination of Au-Cu/CeO2 was shown to be the best system. The influence of Au/Cu (1/3, 1/1 or 3/1) ratio was therefore undertaken along with the effect of the pre-treatment (calcination or reduction). The catalysts have been systematically characterized by physico-chemical techniques (BET, XRD, TEM, XPS, TPR, FTIR). The kinetics of PROX reaction and CO oxidation mechanism on Au-Cu/CeO2 were explored and correlated with an FTIR study. The catalytic performances of these catalysts are strongly dependent upon the particle size of the metal, the chemical state of gold, the gold-support interaction and the surface distribution of Au and Cu. We have proposed a CO oxidation mechanism in which adsorbed CO reacts with adsorbed O2 to produce CO2.

In der Dissertation werden Konzepte vorgestellt, mit denen die Abschätzung der Dauerfestigkeit von Bauteilen auf Grundlage von Werkstoffkennwerten möglich ist. Aus den sich dabei ergebenden Problemen sowie den speziellen Anforderungen der Werkstoffgruppe Sinterstahl wird ein neues Konzept aus bruchmechanischen Überlegungen abgeleitet. Damit ist eine Anwendung ohne prinzipielle Einschränkung bezüglich der Bauteilgeometrie und unter Berücksichtigung der individuellen Kerbempfi ndlichkeit des Werkstoffs möglich. Die Validierung und statistische Auswertung anhand einer breiten Datenbasis belegt eine gute Treffsicherheit im Vergleich zu anderen Verfahren. Empfehlungen zur praktischen Anwendung und den Grenzen der verschiedenen Konzepte werden gegeben.

L'influence de l'effet de support sur la formation des phases de sulfure, c'est-à-dire la morphologie, la dispersion des sites, la structure et l'activité catalytique pour les catalyseurs d'hydrotraitement a été étudiée. L'étude a débuté par des catalyseurs au Mo et a été suivie par des catalyseurs CoMo supportés sur de la silice d'alumine et de l'oxyde de titane. L'effet de support semble être le facteur clé pour contrôler la morphologie des feuilles de MoS2. La morphologie a été étudiée en utilisant une technique puissante appelée IR / CO, c'est-à-dire une adsorption de CO suivie par une spectroscopie FTIR. Cette méthode permet de distinguer deux types de bord exposés sur les feuilles MoS2 dites M- et S-edge et permet ensuite l'étude de la morphologie par le rapport S / M-edge. Ainsi, pour une interaction faible, la morphologie hexagonale déformée du support MoS2 a été montrée alors que pour une interaction forte, la morphologie du triangle a été observée. Ces différentes morphologies ont été utilisées pour étudier la localisation du Co par la même méthode, IR / CO. Cette méthode permet également la distinction entre les sites non promus et promus ainsi que Co situé sur les bords M- et S-edge. Par conséquent, la comparaison entre le rapport S / M-edge et le degré de promotion (rapport des sites promus / non promus) a montré que Co est présent sur les deux bords M- et S-edge pour les trois catalyseurs supportés par CoMo. De plus, une étude détaillée a montré que Co décore préférentiellement les sites de type S-edge. Par conséquent, les structures du site CoMoS pour chaque catalyseur ont été étudiées par la méthode IRIS 2D. Cette nouvelle méthode développée au LCS permet la déconvolution de bandes IR / CO qui étaient auparavant une limitation pour la caractérisation des sites CoMoS. Cette avancée dans la caractérisation CoMo a conduit à l'étude détaillée de la structure CoMoS. Après l'attribution des trois bandes qui sont observées dans la gamme de spectres IR / CO promue, il est apparu que les sites S-edge étaient partiellement promus par Co, tandis que les sites M-edge étaient partiellement et totalement promus par Co. Ces sites ont un effet sur la réactivité HDS (hydrodésulfuration). De plus, une activité intrinsèque plus élevée a été trouvée pour le bord M-edge partiellement promus par Co, suivi par les sites totalement promus et finalement promus partiellement par le bord S-edge. / The influence of the support effect on the sulfide phases formation, i.e. morphology, sites dispersión, structure and catalytic activity for hydrotreating catalysts was studied. The study started by Mo catalysts and followed by CoMo catalysts supported on alumina silica and titania. The support effect appeared to be the key factor to control the morphology of MoS2 slabs. The morphology was studied using a powerful technique so-called IR/CO, i.e. CO adsorption followed by FTIR spectroscopy. This method allows the distinction of two types of edge exposed on the MoS2 slabs so-called M- and S-edge and then permits the study of the morphology by the S-/M-edge ratio. Thus, for a weak interaction MoS2-support deformed hexagon morphology was detected whereas for a strong interaction triangle morphology was observed. These different morphologies were used to study the Co localization by the same method, IR/CO. This method also allows the distinction between non- and promoted sites as well as Co located on M- and S-edges. Hence, the comparison between S-/M-edge ratio and promotion degree (promoted/non-promoted sites ratio) showed that Co is present on both M- and S-edges for the three CoMo supported catalysts. Additionally, a detailed study showed that Co preferentially decorates S-edge sites. Consequently, the CoMoS site structures for each catalyst has been studied by 2D IRIS method. This novel method developped in LCS allows the resolution of overlapping IR/CO bands which were previously a limitation for CoMoS sites characterization. This advance in the CoMo characterization lead to the study of detailed CoMoS structure. After the assignment of three bands which are observed in the promoted range of IR/CO spectra, it appeared that S-edge sites were partially promoted by Co, whereas M-edge sites could be partially and totally promoted by Co. The different proportion of those sites have an effect on HDS (hydrodesulfuration) reactivity. Thus, higher intrinsic activity was found for M-edge partially promoted by Co followed by totally promoted and finally the S-edge partially promoted sites.

Plankerbverzahnungen zählen zu den Vertretern der Kupplungsverzahnungen, mit deren Hilfe zwei Bauteile koaxial miteinander verbunden werden können. Neben einer hohen Winkelgenauigkeit zeichnen sie sich durch eine enorme Drehmomentkapazität bei gleichzeitig geringem Montageaufwand aus. Die zur Leistungsübertragung erforderliche Vorspannkraft kann über eine zentrale Spannschraube oder mehrere dezentral, auf einem gemeinsamen Teilkreis, angeordnete Spannschrauben erzeugt werden. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zur beanspruchungsgerechten Dimensionierung von Plankerbverzahnungen mit zentraler und dezentraler Verschraubung. Es wird eine Berechnungsmethode zur Bestimmung der Tragfähigkeit des Zahnfußes, der Zahnflanke und der Spannschrauben vorgestellt und anhand von Beispielrechnungen erläutert. Neben den umfangreichen theoretischen Betrachtungen werden die Ergebnisse zahlreicher experimenteller Untersuchungen präsentiert. Diese dienen der Gewinnung von grundlegenden Aussagen zur Stützwirkung und zum Mittelspannungseinfluss an einfach und mehrfach gekerbten Proben sowie zur Verifizierung des Tragfähigkeitsnachweises.