Th. doct.-ing.--Bordeaux 1, 1983. N°: 332.

Dans ce manuscrit, nous trouverons l'étude et la caractérisation de 3 nouveaux matériaux pour le stockage chimique de l'hydrogène : l'hydrazine borane (N2H4BH3, HB avec 15.3 % m H) et les hydrazinidoboranes de lithium (LiN2H3BH3, LiHB avec 11.6 % m H) et de sodium (NaN2H3BH3, NaHB avec 8.8 % m H). Ces matériaux font partie de la famille des boranes, récemment envisagés comme des matériaux prometteurs pour le stockage chimique de l'hydrogène. Comme exemple type, nous pouvons citer l'ammoniaborane (NH3BH3, AB avec 19.6 % m H), car il possède une capacité massique théorique en hydrogène élevée et débute sa déshydrogénation à une température modérée (122°C). Cependant, la cinétique de déshydrogénation de AB est lente. En outre, des gaz nocifs à la pile à combustible, tel que de la borazine, sont émis au cours de la thermolyse. Dans ce contexte, des dérivés, à savoir les amidoboranes, ont été synthétisés pour améliorer les performances de AB. En effet, les amidoboranes de lithium (LiNH2BH3) et de sodium (NaNH2BH3) génèrent 10.9 et 7.5 % m H (respectivement) à 90°C sans période d'induction et sans formation de borazine. Pour notre étude, nous avons choisi de suivre une stratégie similaire de déstabilisation ; nous avons travaillé sur la modification chimique du HB. Dans le premier chapitre nous présentons le protocole de synthèse de HB ainsi que sa caractérisation chimique, structurale et thermique. La synthèse, une métathèse de sel, a été une optimisation du protocole mis en place en 1961 par Goubeau et Ricker. Nous l'avons optimisé en termes de coût, de rendement (≈ 80 %) et de pureté (≥ 99 %). Les caractérisations chimique et structurale nous ont révélé la présence d'un réseau de liaisons Hδ+•••Hδ-, ce qui confère à HB son état solide ainsi que sa stabilité à température ambiante. Cependant, ce réseau ne met pas en jeu la totalité des motifs de HB, au contraire de AB. Les caractérisations thermiques nous ont confirmé cette observation par une diminution de la température de début de déshydrogénation d'environ 60°C et l'absence de période d'induction lors de la décomposition isotherme. Aucune émission de borazine n'a été enregistrée. Cependant, nous avons mis en avant la formation de N2H4 et de NH3. Par des mesures volumétriques, nous avons enregistré que HB est capable de libérer 6.2 % m H en 3 h à 110°C. Les deux chapitres suivants traitent de la synthèse et caractérisation des hydrazinidoboranes de lithium (chapitre II) et de sodium (chapitre III). Les analyses chimique et structurale ont mis en avant une augmentation du degré de liberté du groupement BH3 pour ces deux matériaux par rapport celui de HB, mais aussi la présence d'un réseau de liaisons Hδ+•••Hδ- moins complexe que dans HB. La synthèse de LiHB donne lieu à la formation de deux polymorphes notés ici α- et β-LiHB. Dans nos conditions, NaHB et LiHB ont présenté des propriétés de déshydrogénation plus intéressantes que HB, avec une déshydrogénation totale lorsqu'ils sont tous deux soumis à une rampe de température. En outre, il a été remarqué une nette diminution de l'émission de NH3 (sans N2H4). Pour NaHB, cette émission peut être supprimée par l'ajout d'un excès de NaH lors de la synthèse. La cinétique de déshydrogénation est également améliorée. Nous avons enregistré une déshydrogénation quasi-totale en 1 h à 150°C pour LiHB (2.6 équiv. H2) et en 24 s à 110°C pour NaHB (2.5 équiv. H2). NaHB montre par ailleurs un comportement non conventionnel lors de sa décomposition à des températures supérieures à 100°C ; il libère la quasi-totalité de son hydrogène en quelques minutes à une vitesse de 4 L H2/min à 110°C. Ces matériaux ont donc démontrés leur potentiel pour le stockage chimique de l'hydrogène. / In this manuscript, we present the study and characterization of three new materials for chemical hydrogen storage: i.e. hydrazine borane (N2H4BH3, HB with 15.3 wt % H), lithium and sodium hydrazinidoboranes (LiN2H3BH3, LiHB with 11.6 wt % H and NaN2H3BH3, NaHB with wt 8.8 % H). These materials belong to boranes' family, which have recently been seen as promising materials for chemical hydrogen storage. A typical example of such materials is ammoniaborane, which has a high theoretical hydrogen content (NH3BH3, AB with 19.6 wt % H) and starts it dehydrogenation at moderate temperature (122°C). However, the dehydrogenation kinetics of AB is slow. In addition, some gaseous impurities are detected; e.g. borazine has been often reported to form. In this context, derivatives of AB, i.e. amidoboranes, have been synthesized with the objective to improve the dehydrogenation properties of the parent AB. Lithium and sodium amidoboranes (LiNH2BH3 and NaNH2BH3) generates 10.9 and 7.5 wt % H (respectively) at 90 ° C without any induction period and no borazine formation. For our study, we have chosen to follow a similar strategy in order to destabilize HB by chemical modification. In the first chapter, we report the synthesis protocol of HB and its chemical, structural and thermal characterizations. The synthesis, which is a salt metathesis, is an optimization of the protocol established in 1961 by Goubeau and Ricker. We optimized it in terms of cost, yield (≈ 80%) and purity (≥ 99%). The chemical and structural characterizations have revealed the presence of a Hδ+••• Hδ- network conferring the solid state to the borane as well as its stability in room conditions. However, the network does not involve all of the HB molecules unlike in the case of AB. Thermal characterizations have confirmed this observation through a decreased onset temperature of about 60 °C and the absence of an induction period. No emission of borazine was besides recorded. However, we put forward the formation of N2H4 and NH3. By volumetric measurements, we demonstrated that HB is able to release 6.2 wt % H2 in 3 h at 110 ° C. Chapters II and III deal with the synthesis and characterization of lithium (Chapter II) and sodium (Chapter III) hydrazinidoboranes. We performed detailed chemical and structural characterizations that revealed an increase of the degree of freedom of the BH3 group for these materials compared to HB, but also the presence of the Hδ+ •••Hδ- network but it is less complex than in HB. The LiHB synthesis has put forward the formation of two polymorphs, here noted α- and β-LiHB. In our conditions, Na- and Li-HB have presented more attractive dehydrogenation properties compared to HB, with a total dehydrogenation and a net decrease in the emission of NH3 (without N2H4) when both materials are subjected to a temperature ramp. The emission of unwanted NH3 can be hindered for NaHB by adding an excess of NaH during the synthesis. The dehydrogenation kinetics is also improved. We recorded an almost complete dehydrogenation with 2.6 equiv. H2 in 1 h at 150 ° C for LiHB and with 2.5 equiv. H2 in 24 s at 110 ° C for NaHB. Note that NaHB shows an unconventional behavior upon isothermal decomposition at temperatures above 100 ° C since it releases substantially all of its hydrogen in few minutes with the very high rate of 4 L H2/min at 110 ° C. These materials have thus demonstrated their potential for chemical hydrogen storage.

L'objet de ce mémoire de thèse est l'étude des propriétés de l'adhésif structural EA 9689 lors de son utilisation à température élevée. Cet adhésif époxyde est utilisé dans l'industrie aéronautique pour le collage des inverseurs de poussée et pour la réalisation de structures sandwichs. Notre étude porte principalement sur deux aspects, la dégradation thermique et le fluage.<br />L'étude du comportement en température nous a permis de proposer un schéma réactionnel de dégradation thermique impliquant différents mécanismes moléculaires. L'effet principal est une dépolymérisation thermolytique qui conduit à une plastification du réseau. Nous avons montré que les molécules plastifiantes avaient une structure très proche de celles des durcisseurs. Il y a ensuite migration de ces molécules plastifiantes du cœur vers la surface des échantillons. En surface, ces molécules ont un comportement différent selon les conditions de vieillissement. Parallèlement à ces phénomènes, il y aurait des recombinaisons moléculaires au sein du réseau qui conduisent à la formation d'une structure thermiquement plus stable. Cette espèce thermostable nécessite de l'oxygène pour être dégradée selon un mécanisme de thermo-oxydation. Notre étude a également porté sur l'évolution de la température de transition vitreuse au cours du vieillissement thermique. Nous avons ainsi mis en évidence une évolution complexe caractérisée par une diminution de la Tg au cours du vieillissement suivie d'une augmentation.<br />L'étude du comportement mécanique de l'EA 9689 et d'assemblages collés acier/colle/acier nous a permis de mieux comprendre les potentialités de cet adhésif structural, mais aussi de proposer différentes hypothèses sur les mécanismes moléculaires responsables du fluage. Nous avons ainsi montré que les propriétés mécaniques de cet adhésif étaient très bonnes jusqu'à des températures d'environ 150°C. Au delà de cette température, on note une chute importante des propriétés mécaniques que l'on peut expliquer par un accroissement du caractère viscoélastique du polymère, et ceci alors même que la Tg est à une température bien supérieure (environ 230°C). Nous notons que les propriétés des assemblages collés sont intimement liées à la nature, et donc à la résistance, de l'interphase adhésif/substrat et qu'il est donc impossible de préjuger de la résistance de joints sans connaître au préalable celle de l'interphase formée. Nous nous sommes intéressé aux trois stades du comportement en fluage en portant une attention particulière sur le fluage stationnaire au cours duquel la vitesse de déformation est constante. Nous avons ainsi développé un modèle simple pour représenter l'évolution de la vitesse de fluage stationnaire avec la contrainte et la température. Ce modèle nous a permis de faire différentes hypothèses sur la nature des mécanismes de déformation par fluage. Nous postulons ainsi que dans des conditions "douces" (température et contrainte faibles), la déformation au cours du fluage stationnaire serait provoquée par des mouvements locaux des segments de chaînes identiques à ceux décrits pour expliquer la transition . En conditions de fluage plus "sévères" (température et/ou contrainte élevée), la déformation stationnaire serait due à des mouvements des chaînes macromoléculaires sur de longues distances analogues à ceux proposés pour la transition vitreuse.

Les céramiques de type non-oxyde à base de silicium ont été très largement étudiées en raison deleurs incroyables propriétés thermostructurales généralement très supérieures à celles desmatériaux conventionnels. En particulier, les carbonitrures de bore et de silicium (SiBCN)proposent une grande fiabilité mécanique et sont stables jusqu'à des températures de l'ordre de2200 °C en raison de la faible mobilité atomique de leurs structures. Le développement de la voie" polymères précéramiques " s'est avéré primordial pour la réalisation de céramiques techniquesaux propriétés contrôlées. Au travers de la thermolyse des polymères, une large gamme decéramiques peut être obtenue à partir de précurseurs moléculaires en contrôlant à la fois lastructure de l'unité monomérique et le degré de polymérisation, mais aussi la procédure dethermolyse. La thermolyse directe des polymères est compatible avec plusieurs types detechniques de mise en forme et offre la possibilité de réaliser des structures et des objets deformes complexes. Le nanomoulage à partir d'un moule poreux et le co-assemblage d'unpolymère précéramique et d'un bloc copolymère sont deux voies largement empruntées pour laproduction de céramiques poreuses ordonnées. Ce manuscrit présente une étude sur l'élaborationde céramiques de type SiBCN mésoporeuses ordonnées selon la méthode du nanomoulage. Lamise en forme de ces poudres céramiques par frittage flash conduit alors à la fabrication demonolithes à porosité hiérarchisée. Une deuxième partie envisage également l'utilisation d'uncopolymère tribloc comme agent structurant pour la synthèse de matériaux mésoporeux ordonnésde type carbure de silicium.

In dieser Arbeit werden Mechanismen zur thermischen CVD von Siliciumcarbid aus Methyltrichlorsilan (MTS) und von Bornitrid aus Trimethoxyboran-Ammoniak- Gasmischungen diskutiert. Dazu werden die gebildeten Schichten und die entstehenden Reaktionsgasphasen in Abhängigkeit von den Prozeßparametern Temperatur und Eduktgaszusammensetzung untersucht. Durch Zusatz der bei der MTS-Thermolyse entstehenden gasförmigen Produkte zum Eduktgasstrom können Korrelationen zwischen den Produktkonzentrationen in der Gasphase und deren Einfluß auf die abgeschiedenen Schichten aufgezeigt werden. An Hand dieser Ergebnisse wird für die MTS-Thermolyse ein Reaktionsschema aufgestellt, welches sowohl primäre und sekundäre Gasphasenreaktionen als auch Oberflächenreaktionen umfaßt. Darauf aufbauend wird eine Methode zur Ermittlung der Schichtzusammensetzung durch Analyse des Reaktionsabgases vorgestellt und mit den Ergebnissen der ESMA-Untersuchungen verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluß von Ammoniak auf die Thermolyse von Trimethoxyboran und die dabei entstehenden Schichten untersucht. Die Charakterisierung der Bornitrid/Boroxid-Schichten erfolgt durch Ramanspektroskopie. Zur qualitativen Analyse dünner BN-Schichten auf faserförmigen Substraten wird der Einsatz von oberflächenverstärkter Ramanspektroskopie vorgestellt.

In der vorliegenden Arbeit wird die Darstellung neuartiger Brückenkopf-Azirine dokumentiert. Diese können photochemisch oder thermisch aus den entsprechenden, zum Teil ebenfalls unbekannten carbocyclischen Vinylaziden erzeugt werden. Dabei ist für die direkte Beobachtung der hochgespannten und instabilen Azirine die Photolyse in Lösung bei tiefer Temperatur (bis –80°C) nötig. Besonders kurzlebige Azirine werden über Folge- oder Abfangreaktionen nachgewiesen. Als thermische Folgeprodukte lassen sich Dihydropyrazine bzw. Pyrazine durch Dimerisierung erhalten. Es wird gezeigt, dass eine Methylgruppe als Substituent in der Brückenkopfposition eine Stabilisierung der Azirine bewirkt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Reaktionsverhaltens der Brückenkopf-Azirine. Aufgrund ihrer hohen Ringspannung weisen diese eine sehr große Reaktivität auf. So ist eine Diels-Alder-Reaktion mit Cyclopentadien und die Addition von Blausäure möglich. Ferner reagieren die hochgespannten Azirine bei –50°C sofort mit Diazomethan, sodass erstmals die durch 1,3-dipolare Cycloaddition entstehenden Dihydrotriazol-Derivate als Zwischenstufe mittels Tieftemperatur-NMR-Messung beobachtet werden können. Des Weiteren führen auch die Umsetzungen der Brückenkopf-Azirine mit Diphenylketen, Benzoylisocyanat und Nitriloxid zu neuen Verbindungen.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese von Bismut- und Neodymsilanolaten beschrieben. Durch partielle Hydrolyse ausgewählter Bismutsilanolate konnten neue Bismut-oxo-cluster synthetisiert werden. Die Darstellung von heterometallischen Bismut-Neodym-oxo-clustern ausgehend von Bismut- und Neodymsilanolaten wurde untersucht, ergaben jedoch keine definierten Cluster. Das Thermolyseverhalten der Silanolate und Oxo-cluster wurde beschrieben und die erhaltenen Zersetzungsprodukte charakterisiert. Weiterhin wurden in dieser Arbeit Koordinationspolymere von Bismuthalogeniden mit Phosphonsäureestern synthetisiert. Die so erhaltenen ein- und zweidimensionalen Koordinationspolymere wurde in Hinsicht auf ihr Verhalten unter thermischer Belastung untersucht. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit lag auf der strukturellen Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen insbesondere durch Einkristallröntgenstrukturanalysen. Weiter Methoden wie NMR-Spektroskopie in Lösung und im Festkörper, DTA-TG, IR-Spektroskopie, Pulverröntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie wurden zur Charakterisierung zur Hilfe genommen. / The present thesis deals with the synthesis of bismuth- and neodym silanolates. The partial hydrolysis of selected bismuth silanolates gave a series of novel bismuth-oxo-clusters. The synthesis of heterometallic bismuth-neodymium-oxo-clusters starting from bismuth- and neodymium silanolates has been assayed but did not give defined clusters. In addition the behavior of the silanolates and oxo-clusters towards thermal decomposition has been studied and the decomposition products have been characterized. In the second part of this work the synthesis of coordination polymers starting from bismuth halides and phosphonic acid esters is presented. Several one- and two-dimensional coordination polymers have been synthesized, structurally characterized and analyzed with respect to their thermally induced decomposition. The main focus of this work was to characterize the novel compounds in particular by single crystal X-ray diffraction analysis. Aditionally, NMR spectroscopy in solution and the solid state, DTA-TG, IR spectroscopy, powder X-ray diffraction and SEM-EDX have been used for the characterization of the products.

In der vorliegenden Arbeit wird die Konzeptionierung und die Realisierung eines teilkontinuierlichen Thermolyseverfahrens zur rohstofflichen Verwertung von Polyethylen- und Polypropylenabfällen beschrieben. Die Ausführung in der zweistufigen Rührkesselkaskade gewährleistete dabei die Trennung der Prozessschritte Schmelzen sowie Cracken der Einsatzmaterialien, woraus ein Thermolyseöl hervorging, welches weitestgehend frei von den Verunreinigungen aus den Abfällen war. Das Thermolyseöl wies eine Zusammensetzung aus Benzin- und Dieselkomponenten auf und erfüllte einige entscheidende Kraftstoffkriterien. Zur Senkung der qualitätsmindernden Olefingehalte wurden in einem weiteren Teil dieser Arbeit Untersuchungen zur heterogen-katalysierten Hydrierung der Siedeschnitte im Schüttgutreaktor und im Rührautoklav durchgeführt. Dabei konnten die Olefingehalte durch den Einsatz eines Palladium-Platin-Trägerkatalysators sowie durch einen Nickel-Gerüstkatalysator maßgeblich gesenkt werden. Als unerwünschtes Nebenprodukt des Thermolyseprozesses resultierte ein geringer Anteil Koks, welcher in der Schmelze akkumulierte und sich teilweise an der Reaktorwand ablagerte. Die entstandenen Mengen wiesen eine Abhängigkeit von der Prozesstemperatur und -dauer auf und mussten aus dem Prozess geschleust werden. Als weitere Nebenprodukte traten ein leichtflüchtiges Spaltgas sowie ein Sumpfrückstand auf. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die aufzuwendende Energie für den Thermolyseprozess durch die Energiegehalte der Nebenprodukte gedeckt werden kann. Neben dem Einsatz als Kraftstoff empfahl sich das Thermolyseöl aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften gerade im Hinblick auf einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen als beachtenswerter Ersatz für fossiles Rohöl.

Les céramiques de type non-oxyde à base de silicium ont été très largement étudiées en raison deleurs incroyables propriétés thermostructurales généralement très supérieures à celles desmatériaux conventionnels. En particulier, les carbonitrures de bore et de silicium (SiBCN)proposent une grande fiabilité mécanique et sont stables jusqu’à des températures de l’ordre de2200 °C en raison de la faible mobilité atomique de leurs structures. Le développement de la voie« polymères précéramiques » s’est avéré primordial pour la réalisation de céramiques techniquesaux propriétés contrôlées. Au travers de la thermolyse des polymères, une large gamme decéramiques peut être obtenue à partir de précurseurs moléculaires en contrôlant à la fois lastructure de l’unité monomérique et le degré de polymérisation, mais aussi la procédure dethermolyse. La thermolyse directe des polymères est compatible avec plusieurs types detechniques de mise en forme et offre la possibilité de réaliser des structures et des objets deformes complexes. Le nanomoulage à partir d’un moule poreux et le co-assemblage d’unpolymère précéramique et d’un bloc copolymère sont deux voies largement empruntées pour laproduction de céramiques poreuses ordonnées. Ce manuscrit présente une étude sur l’élaborationde céramiques de type SiBCN mésoporeuses ordonnées selon la méthode du nanomoulage. Lamise en forme de ces poudres céramiques par frittage flash conduit alors à la fabrication demonolithes à porosité hiérarchisée. Une deuxième partie envisage également l’utilisation d’uncopolymère tribloc comme agent structurant pour la synthèse de matériaux mésoporeux ordonnésde type carbure de silicium. / SiC based non-oxide type ceramics have been largely studied due to high thermostructural properties.In particular, Silicoboron carbonitrides (SiBCN) display high mechanic reliability and stay stableuntil temperature such as 2200 °C due to a low atomic mobility in their structure. The developpementof the Polymer Derived Ceramics (PDCs) route played a major role in the production of technicalceramics with controlled properties. Through the thermolysis of preceramic polymers, a large rangeof ceramics can be obtained from molecular precursors while controlling at the same time themonomeric unit structure, the polymerization level but also the thermolysis process. Directthermolysis of polymers is compatible with many shaping techniques and offers the opportunity torealize complex shapes/structures. Nanocasting from a porous template and self-assembling of apreceramic polymer and multi-bloc copolymers are the main strategies leading to organized porousceramics. This document is about the fabrication of organized mesoporous SiBCN-type ceramics viananocasting. The shaping of such ceramic powders with the spark plasma sintering technique leads tomonoliths with hierarchical porosity. A second part considers the use of a commercial tri-blockcopolymer as structuring agent for the synthesis of SiC-type ordered materials.

Cette thèse s’articule autour de matériaux à base de bore pour des applications « énergie ». Nous avons développé deux classes de matériaux. (i) La première classe est dédiée au stockage chimique de l’hydrogène. Les matériaux étudiés dans cette partie sont produits par déstabilisation par mécanosynthèse de l’hydrazine borane N2H4BH3 en substituant un hydrogène protique de ce dernier par un cation alcalin. Nous avons particulièrement étudié la modification chimique de l’hydrazine borane par l’amidure de lithium LiNH2, puis par l’hydrure du calcium CaH2. Dans le premier cas, un nouveau composé de formule LiN2H3BH3.0,25NH3 a été obtenu. Dans le second cas, l’hydrazinidoborane de calcium Ca(N2H3BH3)2 a été synthétisé dans des conditions expérimentales spécifiques. (ii) La deuxième classe de matériaux concerne les polyboranes anioniques solubles dans l’eau pour une utilisation comme combustible anodique de pile à combustible liquide. Nous avons synthétisé et pleinement caractérisé le closo-décaborane de sodium Na2B10H10 et le 1-oxa-nido-dodécaborate de sodium NaB11H12O, puis leur électrooxydation a été étudiée et discutée sur différentes électrodes massives (platine, or et argent). Tous nos résultats sont présentés, discutés en détail et mis en perspective dans ce manuscrit de thèse. / The present work is structured around boron-based materials expected to be used in the field of “energy”. We especially worked on two types of materials. (i) With the first type, solid-state hydrogen storage was targeted. Hydrazine borane N2H4BH3 was used as precursor of novel derivatives obtained by mechanosynthesis. We first made it react with lithium amide LiNH2 to obtain LiN2H3BH3.0,25NH3. Then, we considered calcium hydride CaH2; it reacted with N2H4BH3 at 67°C (after ball-milling) to form a new phase, calcium hydrazinidoborane of formula Ca(N2H3BH3)2. (ii) The second type of boron-based materials we investigated is about anionic polyboranes. They are known to be stable in aqueous solution and accordingly could be used as anodic fuel of direct liquid-fed fuel cell. We aimed at synthesizing and fully characterizing two salts: sodium closo-decaborane Na2B10H10 and sodium 1-oxa-nido-dodecaborate NaB11H12O. Their potential for the aforementioned application was tested by cyclic voltammetry by using bulk electrodes of platinum, silver and gold. All of our results are presented, discussed in detail and put into perspective in the present thesis.