Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les huiles et corps gras d’origines végétales ou animales ont récemment attisé un grand intérêt comme matériel de base dans les industries oléochimiques. Cette attention ne provient pas uniquement des raisons environnementales mais aussi de l’avantage économique de ces nouveaux produits. Les acides gras insaturés, composants principaux des lipides, peuvent être oxydés pour la production de mono- ou de di-acides carboxyliques ; ces derniers sont à la base d’une grande variété de matériaux dans de nombreuses industries. Ce procédé d’oxydation est nommé « clivage oxydatif », en effet, durant la réaction, une double liaison carbone-carbone est brisée. L’exemple le plus représentatif est l’acide azélaique, C9 contenant une double fonction acide carboxylique - un produit à haute valeur ajoutée qui est obtenu à partir de l’acide oléique. Actuellement, cette réaction, en industrie, est effectuée par ozonolyse, or, ces réactions ont récemment été classées comme risqué dû aux problèmes associés à l’utilisation d’ozone. Cependant, l’utilisation d’un oxydant plus doux requiert l’utilisation d’un catalyseur. Dans les travaux présentés, nous avons développé un catalyseur hétérogène innovant à partir d’oxydes de tungstène et de molybdène pour la coupure oxydante de l’acide oléique utilisant le peroxyde d’hydrogène comme oxydant. Afin de trouver un catalyseur performant, différents catalyseurs ont été préparés et testés, tels que des oxydes de tungstène mésoporeux, possédant une très grande surface spécifique supportés par de l’alumine gamma, des nanoparticules (NPs) de trioxyde de tungstène de structures différentes (hydraté ou anhydre), de peroxyde de tungstène, d’oxyde de molybdène, mais aussi d’amas de polyoxotungstates (POTs) sous forme de structure de Keggin. Alors que l’utilisation de catalyseur homogène a été largement reportée pour cette réaction, les travaux effectués sur des catalyseurs hétérogènes sont moins rapportés. En effet, l’efficacité des catalyseurs solides est moindre compte tenu du plus faible nombre de sites actifs en contact avec la phase liquide et donc le substrat ; or pour les catalyseurs homogènes cette surface de contact est optimum. Pour s’affranchir de cet obstacle dans ces travaux, nous avons choisi d’utiliser des catalyseurs présentant des tensioactifs à partir de molécules organiques. Ces catalyseurs permettent d’augmenter les propriétés hydrophobes/hydrophiles de la surface de la nanoparticule, et aussi d’améliorer la compatibilité entre la surface du catalyseur solide, le substrat de la réaction - l’acide oléique - et l’oxydant en phase aqueuse. Pour remplir cet objectif, plusieurs cations d’amines quaternaire ont été utilisés dans la synthèse, tel que le l'hexadécyltriméthylammonium (CTA+), le étraméthylammonium (TMA+), le tétrapropylammonium (TPA+) et le tétrabutylammonium (TBA+). Nous avons développé une approche simple et écoresponsable pour la synthèse et le greffage de tensioactifs de nanoparticules d’oxyde de tungstène et de molybdène à partir de la dissolution oxydante de poudre micrométrique de tungstène et de molybdène métallique. Par la suite, avec quelques modifications dans l’approche ainsi que l’utilisation de sels d’amine quaternaire possédant une chaine alcane plus importante lors de la synthèse, nous avons réussi à mettre au point une nouvelle méthode de synthèse pour la préparation de POTs hybride, organique-inorganique. En termes de réaction catalytique, c’est la première fois que l’utilisation de POT comme catalyseurs hétérogènes pour des réactions d’oxydation d’acides gras insaturés est rapportée. Le catalyseur synthétisé présente généralement une excellente activité, comparé aux autres catalyseurs hétérogènes rapportés. Une conversion complète de l’acide oléique initial avec un rendement maximum pour le diacide espéré (acide azélaique) de 80% a pu être atteint en optimisant la quantité d’amine quaternaire cationique à la surface du catalyseur. Grâce à la présence de molécules organiques comme tensioactifs, ce catalyseur efficace en solution aqueuse ne présente pas de lixiviation significative. De plus, il est facilement récupérable et peut être réutilisé sans perte d’activité significative jusqu’à quatre cycles. / Oils and fats of vegetable and animal origin have recently attracted a growing interest as renewable raw materials in oleochemical industries. This attention arises from not only the environmental reasons, but also economic ones. Unsaturated fatty acids (UFAs), as the constituent of lipids, can be oxidized to produce mono- and dicarboxylic acids which are applicably valuable materials in different industries. This oxidation process is so-called oxidative cleavage, since during the reaction carbon-carbon double bond(s) get cleaved. The most striking instance is production of azelaic acid, a valuable C9 diacid, from oleic acid (C18:1). Currently, this reaction is carried out in industry via ozonolysis, which, nowadays, has been converted to a controversial challenge due to the hazardous problems associated with use of ozone. Employing an eco-friendlier oxidant requires an active catalyst to be employed, as well. In this research, we have developed advanced heterogeneous catalysts based on tungsten and molybdenum oxides for oxidative cleavage of oleic acid with hydrogen peroxide as oxidant. To find a highly efficient catalyst, different catalysts were prepared and tried including high surface area mesoporous tungsten oxide supported on γ-alumina, nanoparticles (NPs) of different structures of tungsten trioxide (hydrated and anhydrous), tungsten peroxide, and molybdenum oxide, as well as Keggin clusters of polyoxotungstates (POTs). While employing homogeneous catalysts in this reaction has been widely reported, the works on the heterogeneous catalysts are very rare, most probably due to the poor reactant/solid catalyst contact in liquid-phase reactions of lipids resulting in much lower catalytic efficiency of solid catalysts compared to the homogeneous ones. To tackle this obstacle in this research, we leveraged the strategy of organo-functionalization of the solid catalyst’s surface, to not only tune the hydrophobicity/hydrophilicity properties of the surface, but also improve the compatibility of the solid catalysts with the organic substrate, oleic acid, and the aqueous oxidant. For this purpose, different quaternary ammonium cations were employed in the synthesis including cetyltrimethylammonium (CTA+), tetramethylammonium (TMA+), tetrapropylammonium (TPA+), and tetrabutylammonium (TBA+). We have developed a green and straightforward approach for the synthesis and organo-functionalization of tungsten and molybdenum oxide NPs based on oxidative dissolution of micrometer-scale bare W and Mo powders. Interestingly, with some slight modifications in this approach and using larger quaternary ammonium salts in the synthesis we have succeeded to present a novel synthesis method for preparation of hybrid organic-inorganic POTs. In terms of catalytic reaction, application of heterogeneous POT catalysts in oxidation of UFAs has been reported for the first time in this work. The synthesized catalysts, generally, exhibited excellent activity compared to the reported heterogeneous ones. Full conversion of the initial oleic acid, with the highest yield of production of the desired diacid (azelaic acid) ~80 %, was achieved by optimization of the amount of the quaternary ammonium cation on the catalyst’s surface. Thanks to the organo-functionalization, these water-tolerant catalysts exhibited no significant leaching, as well as convenient recovery and steady reuse without noticeable decrease in activity, at least up to four cycles.

Les oxydes d'éléments de transition présentent une grande diversité de comportement allant du diélectrique au métal et même au supraconducteur. Ce phénomène a donné lieu à un grand nombre de théorie qui n'ont cessé de se développer au cours des quarantes dernières années. Ces théories dont un rappel est proposé au début du mémoire ont été appliquées à des systèmes d'oxydes de tungstène à valences mixtes tels que les bronzes, comme NaxWO3 et CsxWO3, purs ou dopés, ou des solutions solides de structures dérivées du rutile, comme Cr1-xW1+xO4. L'étude de ces systèmes dans lesquels la localisation d'Anderson semble jouer un rôle important a permis de mettre en évidence le rôle du libre parcours moyen inélastique et à basse température celui des corrélations électroniques.

Les phonons mous et le couplage électron-phonon sont considérés comme responsables d’un grand nombre de transition de phase. Pour en comprendre complétement les mécanismes, il est nécessaire d’étudier à la fois les modifications structurales, les changements de configuration électronique et les dynamiques de réseau cristallin. De toute évidence, cela représente une charge de travail expérimental et théorique considérable, voire même hors d’atteinte.Néanmoins, il est parfois possible d’introduire certaines simplifications et d’ainsi rendre une telle étude réalisable. C’est le cas pour les deux systèmes au cœur de ce travail de thèse, pour lesquels la transition de phase peut être diviser en deux instabilités : l’une est structurale, intrinsèque aux éléments constitutifs du système et l’autre, superposée, provient de la configuration électronique. L’interaction entre ces instabilités est illustrée à travers l’exemple de deux systèmes à priori hétérogènes, la famille des bronzes monophosphate de tungstène d’une part et l’antimoine d’autre part, qui révèleront finalement posséder des similarités inattendues. La combinaison des techniques de diffusion diffuse et de diffusion inélastique de rayons X permet des observations qualitatives et une meilleure compréhension de la situation pour les deux systèmes.Les bronzes monophosphate de tungstène font partie de la famille des oxydes quasi-2D, (PO2)4(WO3)2m, qui ont la particularité d’être sujet à des instabilités de type onde de densité de charges (ODC). Ces bronzes sont constitués d’une structure de perovskite vide composée par des couches octaédriques (WO3)2m. L’épaisseur de chacune de ces couches est définie par la valeur de m, qui mène ainsi à différents types de phase d’ODC. Le cas du terme m=2 a aussi été étudié car le fait que les chaînes zig-zag y soient isolées conduit à une instabilité quasi-1D. La présence d’une phase d’ODC a été découverte à TC=270K avec q=0.25b*. Cette phase est engendrée par le mouvement à corps rigide, plus exactement, par les basculements corrélés des octaèdres. Pour les autres termes (m=6,7 et 8), l’instabilité structurale a une origine différente et est liée à l’agencement en couches de WO3, plus particulièrement aux déplacements corrélés des chaînes W-O-W-O. Ces derniers sont la cause d’une forte diffusion diffuse sur des plans spécifiques, résultant de la présence de phonons ’relativement’ mous localisés dans la même région. Ensuite, l’emboitement de la surface de Fermi quasi-2D est à l’origine de l’ancrage du vecteur de modulation sur une valeur spécifique de transfert de moment, définit par l’interaction de deux instabilités, structurale et électronique. De façon remarquable, l’amplitude des déplacements des atomes de tungstène dans le terme m=8 est beaucoup plus élevée que dans le m=6.L’antimoine à température ambiante possède une structure rhomboédrique, dérivant d’une légère distorsion de la structure cubique primitive (CP) par transition de Peierls. Sous pression, la distorsion se réduit sans toutefois disparaître complétement, puisque l’antimoine se transforme dans un premier temps en une série de structures complexes, pour finalement adopter celle possédant la plus grande symétrie, la structure cubique centrée (CC). De la même façon que pour les bronzes, les caractéristiques de la diffusion diffuse ainsi que, dans une certaine mesure, les particularités de la dynamique du réseau rhomboédrique, s’expliquent à travers de l’instabilité du réseau cubique primitif. Cette dernière est liée aux déplacements corrélés dans les chaînes avec direction pseudo-cubique <100>. En outre, les détails de la transition de phase peuvent être explicités par l’association de l’analyse des vecteurs critiques de la transformation CC-CP avec les résultats expérimentaux obtenus sur la dépendance en pression de l’énergie des phonons. / A large number of phase transitions can be interpreted as being driven by phonon softening and/or electron-phonon coupling. Thus, a full mechanistic description requires the understanding of structural transformation, changes in electronic structure and lattice dynamics. All together this represents an enormous, for many cases unrealisable, experimental and theoretical effort.However, with the introduction of appropriate assumptions the problem may be simplified. Here we concentrate on two systems, where the interpretation of the phase transition may be split into an intrinsic instability of the building blocks combined with a superimposed electronic instability. We illustrate the interplay between the framework and electron-phonon-related instabilities using the seemingly heterogeneous examples of phosphate tungsten bronzes and elementary antimony. Based on the combined results from diffuse and inelastic X-ray scattering, we propose for the two systems a picture that explains the experimental observations. The similarities found between these two systems are deemed to be rather surprising.Monophosphate tungsten bronzes are a family of quasi-2D-oxides, (PO2)4(WO3)2m, that exhibits charge density wave (CDW) instability. They contain empty perovskite WO3 slabs with varying thickness between different members, characterised by the $m$ value. This thickness defines the sequence of charge density wave phases that appear on cooling. The degenerate case of $m$=2, presenting a quasi-1D instability, was explored since the WO3-octahedra zig-zag chain is isolated. A CDW phase (TC=270K and q=0.25b*) is found to be linked to a rigid-body motion, precisely, to a correlation in the tilting of the octahedra. For the others studied members, as m=6,7 and 8, we found another kind of structural instability. In this case the origin comes from the WO$_3$ slabs framework, realised as correlated displacements of tungsten atoms along the octahedral 4-fold axis direction (W-O-W-O direction). This leads to a strong x-ray diffuse scattering localised in specific planes, linked to relatively soft phonons modes. Specific Fermi surface nesting, close to the 2D case, gives rise to a freezing of the modulations at the specific momentum transfer, defined by the interplay of two instabilities, the structural and electronic one. Remarkably, the displacements of W for m=8 are much superior than in m=6.Elemental antimony at ambient condition has an A7 rhombohedral structure, obtained by small distortion from primitive cubic (PC) lattice through a Peierls transition. Under pressure, the distortion is reduced, but remains finite, as antimony transforms through a series of highly complex structures, before adopting as last the highest-symmetry body-centred cubic (BCC) phase. The main diffuse scattering features and to some extent the peculiarities in the lattice dynamics of the A7 phase – as above - can be explained by the instability of the primitive cubic network with respect to correlated displacements along the chains with <100> pseudo-cubic directions. Analysis of critical vectors for the BCC-PC transformation together with experimentally obtained phonon-energies pressure dependence provides further insights into the details of the phase transformation.

Antimoine et tungstène, deux "petits métaux" qui, à différentes périodes, eurent une importance stratégique liée à l'industrialisation et l'armement. L'antimoine, connu depuis l'Antiquité, fut exploité en France à partir du XVIe siècle mais c'est aux XIXe et XXe siècles qu'il fit l'objet d'une exploitation significative. Les applications industrielles du tungstène, plus récentes, datent de la fin du XIXe siècle. Aux XIXe et XXe siècles, plusieurs périodes présentent une convergence entre la taille des gisements, les méthodes d'exploitation et de traitement employées, la structure des entreprises et la consommation de ces métaux. Cette conjonction s'avère favorable à la prospérité, dans la période préindustrielle puis au XXe siècle, au développement des mines métropolitaines. La dispersion des compagnies et la multitude de petits gisements fut, au contraire, préjudiciable à la prospérité de cette activité. Dans les années 1960, l'implication de l'Etat dans la recherche minière, à travers le BRGM, puis les mesures de soutien à la prospection privée, aboutirent à la découverte de nouveaux gisements de métaux non-ferreux. En revanche, l'implication de l'Etat dans l'exploitation minière, à travers COFRAMINES, fut moins favorable. La gestion administrative et peu réactive s'avéra inadaptée à la versatilité du marché de ces métaux. Aujourd'hui, en France, la mine se heurte à de telles contraintes, sociales, administratives et environnementales, que la relance d'une exploitation de l'antimoine et du tungstène parait peu probable, dans les conditions économiques actuelles. / Antimony and tungsten, two "small alloy metals" that both, at different periods of time, had a strategic importance, linked to industrialisation and armament. Antimony which was known in Antiquity, has been mined in France since the 16th century, but it was truly during the 19th and 20th centuries. Industrial applications of tungsten are recent, dating back to the last decade of the 19th century. During the 19th and 20th centuries, several periods present a convergence between the size of deposits, the methods used to exploit and process, the companies' structure, and the consumption of these two metals. This conjunction was favourable to the antimony mines' prosperity during the pre-industrial period then, in the 20th century, to the development of several mines. The dispersion of companies, on a multitude of small deposits, is prejudicial to the development of antimony and wolfram-rich districts like those of the Massif Central. The French State's implication, through the BRGM's actions starting in the 1960s, then by the establishment of aids towards private prospecting, was beneficial for the discovery of non-ferrous metals deposits. However, the State's decision to change from exploration to mining, through COFRAMINES, was less favourable. The administration management, sometimes burdened and slow to react, showed itself to be inadequate in a context as versatile as the antimony and tungsten market. Today the mining industry, in its whole, faces such social, administrative and environmental constraints, that the antimony and tungsten mining industry's revival, in today's economic and political situation, remains improbable.

La qualité de l’air extérieur (QAE) a fait l’objet d’une législation dès 1996 avec la loi LAURE. Depuis 2008, la directive européenne 2008/50/CE a instauré des obligations de mesure et de seuils à ne pas dépasser pour certains polluants à l’échelle européenne. Selon de nombreuses données toxicologiques et épidémiologiques, la pollution de l’air est à l’origine d’insuffisances respiratoires, d’asthme, de maladies cardiovasculaires et de cancers.Les composés organiques volatils (COV) et notamment le benzène, le toluène, l’ethylbenzène et les xylènes (les composés BTEX) sont des polluants avérés et participent grandement à la dégradation de la qualité de l’air intérieur et extérieur. Ce travail de thèse a concerné la réalisation d’un multicapteur de gaz à base d’oxyde métallique pour la détection de traces de BTEX dans le cadre du projet SMARTY (SMart AiR qualiTY). Un système de caractérisation électrique complet a été conçu et mise au point pour la détection de très faibles concentrations de BTEX (le ppb). Après une étude bibliographique, plusieurs matériaux ont été sélectionnés (WO3, ZnO, SnO2). Les caractérisations électriques des couches sensibles sélectionnées ont été effectuées sous air sec et sous différents taux d’humidité en présence de BTEX et de gaz interférents (NO2, CO2). Le WO3 a montré les meilleures performances en présence d’humidité et a été choisi pour le transfert de technologie qui accompagne les nouveaux transducteurs brevetés AMU. Le multicapteur à base de WO3 a montré une détection limite de 1 ppb sous 50% d’humidité relative et a permis de détecter et de quantifier de manière efficace les BTEX. / Outdoor air quality is subjected to the law LAURE since 1996. In 2008, the european directive 2008/50/EC introduced measurement requirements and thresholds that should not be exceeded for certain pollutants on a european scale. According to several toxicological and epidemiological studies, air pollution causes respiratory failure, asthma, cardiovascular diseases and cancers. In Europe, air pollution is responsible for more than 300 000 early deaths a year.Volatile organic compounds (VOCs), particularly benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX compounds) are proven pollutants and play a major role in the degradation of indoor and outdoor air quality. This thesis is dedicated to the development of a metal oxide based multi-gas sensor for the detection of traces of BTEX within the framework of the SMARTY project (SMart AiR qualiTY). A complete electrical characterization system was designed and implemented for the detection of sub-ppm concentrations of BTEX.Based on the state-of-art, several materials were selected (WO3, ZnO, SnO2). The electrical characterizations of the selected sensitive layers were carried out under dry air and under different humidity levels in the presence of BTEX and interfering gases (NO2, CO2). Tungsten oxide (WO3) exhibits the best performance in the presence of moisture and is chosen for the technology transfer that accompanies the new patented AMU transducers. The WO3-based multi-sensor has a lower limit of detection (LOD) of 1 ppb at 50% relative humidity and effectively detects and quantifies BTEX.

Avec la miniaturisation des composants CMOS, l'utilisation du polysilicium comme matériau de grille est aujourd'hui remise en cause. L'insertion d'une couche métallique entre le diélectrique de grille et le polysilicium est alors indispensable mais nécessite le développement de nouveaux procédés de gravure plasma. L'objectif de ce travail est de proposer un procédé de gravure plasma pour la gravure des métaux W et WN dans un empilement polysilicium/TiN/W(WN)/high-k (matériau à haute permittivité diélectrique). <br />La première étape a donc consisté à caractériser les matériaux de départ en distinguant la caractérisation avant et après intégration dans l'empilement de grille. Les différences révélées à travers cette première étude ont imposé deux stratégies de gravure différentes. Nous proposons une solution en gravant le WN en Cl2/O2 et le W en Cl2/O2/NF3. Cette solution permet une gravure verticale du métal sans dégrader l'intégralité de la grille et le diélectrique sous-jacent.<br />Le deuxième volet de ce travail a consisté à comprendre de manière approfondie les mécanismes de gravure du W et du WN dans les chimies à base de Cl2/O2. Les aspects étudiés sont les interactions plasma/surface, la composition des plasmas de type Cl2/O2, les couches de passivation qui se forment sur les flancs des motifs gravés et l'état de surface des parois du réacteur.

Les multiferroïques sont des matériaux dans lesquels plusieurs propriétés ferroïques peuvent coexister, e. g. ferromagnétisme et ferroélectricité. La recherche de tels matériaux fait l'objet d'une activité croissante en raison de l'enjeu majeur qu'ils représentent dans de nombreux domaines (mémoires, spintronique...). Les matériaux qui possèdent les propriétés nécessaires pour des applications futures sont cependant peu nombreux. Des niobates de formule Ba2LnFeNb4O15 (Ln = lanthanide), de structure bronze quadratique (TTB) susceptibles de présenter un ordre ferroélectrique et un ordre magnétique ont été synthétisés. Les propriétés magnétiques des céramiques proviennent d'une phase secondaire, faisant d'eux des composites multiferroïques. Leur souplesse cristallochimique permet de contrôler les propriétés composites par substitutions cationiques dans la matrice TTB. Afin de compléter l'étude cristallochimique, la croissance de monocristaux de TTB a été entreprise avec succès.

Elaboration de matériaux métallacalix[4]arènes pour la valorisation des hydrocarbures basée sur un nouveau concept de greffage par voie COMS dont la mise au point par fonctionnalisation de supports silice en faisant réagir l'hydroquinone avec une espèce originale [(SiO)2AliBu.(Et2O)]. La réactivité du complexe W(CtBu)(CH2tBu)3 avec l'hydroquinone supportée [(SiO)2AlO-C6H4-OH.(Et2O)] a permis de générer un nouveau système catalytique bien défini [(SiO)2AlO-C6H4-OW(CtBu)(CH2tBu)2.(Et2O)] entièrement caractérisé. Par cette méthode, l'ancrage du calixarène [[4H]-(OH)3(H)] sur le complexe de surface [(SiO)2AliBu.(Et2O)]SBA-15-(700) a conduit à l'espèce [(SiO)2Al-O-[4H]-(OH)2.(Et2O)]. L'incorporation de complexes organométalliques du groupe IV (Zr) et VI (W) mène à de nouveaux matériaux métallacalix[4]arènes bipodaux. L'élucidation de leurs structures a été appuyée par comparaison avec les données spectroscopiques de leurs homologues solubles ou directement liés à la silice. Ces matériaux, présentant des espaceurs phénoxy, montrent des activités initiales supérieures à celles de leurs homologues supportés sur silice. Avant la préparation des matériaux métallacalix[4]arènes, une série de complexes titana-, zircona- et tantalacalix[4]arenes solubles bi- et tripodaux a été synthétisée et caractérisée à partir de dérivés calix[4]arène présentant des modes de coordination différents pour le métal (podalité, ligands ancillaires, angle OMO). Parallèlement, une relation structure-réactivité dans la polymérisation des oléfines a été établie dans le cas des titanacalix[4]arènes, et pour les tantalacalix[4]arènes, des activations Csp2-H et O-Me intramoléculaires ont été mises en évidence.

Pas de résumé