Materiais auto-organizados constituídos de V2O5 xerogel, poli(etilenoimina) (PEI) e nanopartículas de carbono (NpCs) foram obtidos por meio da técnica camada-por-camada (LbL). A metodologia aplicada permitiu a obtenção de filmes finos com elevado controle de espessura além de permitir um crescimento linear dos filmes, denominados neste trabalho V2O5/PEI e V2O5/PEI/NpCs. Além disso, o desempenho eletroquímico dos materiais auto-organizados foi comparado a um eletrodo de V2O5. Análises de FTIR mostraram que interações específicas entre os grupos amina do PEI e os grupos carboxila do V2O5 são responsáveis pelo crescimento do filme. Estas interações permitem a formação de um campo eletrostático capaz de blindar as interações entre os íons lítio e os oxigênios da vanadila (V=O) e, por consequência, são responsáveis pelo aumento na mobilidade iônica dos íons lítio no interior da matriz hospedeira e, portanto, um aumento na capacidade de armazenamento de carga. Resultados obtidos através de medidas de carga/descarga mostram que o V2O5/PEI/NpCs apresenta uma melhor desempenho do que os demais materiais estudados neste trabalho. Estes resultados mostram que a capacidade específica do V2O5/PEI/NpCs foi de 137 mA h g-1 para a menor densidade de corrente aplicada e aproximadamente 1,6 vezes maior do que os valores de capacidade específica para os outros materiais para a maior densidade de corrente aplicada. Além disso, estas medidas permitiram a observação de uma menor variação na razão estequiométrica máxima (xmáx) em função das densidades de corrente aplicadas para os filmes auto-organizados, fato este relacionado a uma maior mobilidade iônica dos íons lítio no interior dessas matrizes. Os resultados obtidos a partir de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) mostraram que a difusão dos íons lítio no interior das matrizes auto-organizadas é maior do que no caso do V2O5, cujos valores do coeficiente de difusão foram de 1,64 x 10-15, 1,21 x 10-14 e 2,26 x 10-14 cm2 s-1 para os filmes V2O5, V2O5/PEI e V2O5/PEI/NpCs, respectivamente. Sendo assim, o polímero e as NpCs promoveram novos caminhos condutores e permitiram a conexão elétrica entre camadas isoladas da matriz V2O5. Dessa forma, novos nanocompósitos foram obtidos visando demonstrar o método de auto-organização empregado para melhorar o transporte de carga em matrizes hospedeiras. / Self-assembled materials constituted of V2O5 xerogel, poly (ethyleneimine) (PEI), and carbon nanoparticles (CNPs) were obtained by the layer-by-layer (LbL) technique. The applied methodology permitted the obtainment of thin films with high thickness control and also permitted a linear growth of the films, which will be named V2O5/PEI and V2O5/PEI/CNPs. Besides, the electrochemical performance of the self-assembled materials was compared to a V2O5 electrode. FTIR analyses showed that the specific interactions between the amine groups of PEI and the vanadyl groups of the V2O5 are responsible for the film growth. These interactions permitted the formation of an electrostatic shield capable of hindering the interactions between the lithium ions and the vanadyl oxygen atoms (V=O) and are consequently responsible for the enhancement on the ionic mobility of the lithium ions within the host matrix, leading to a higher energy storage capability. Results obtained by the charge/discharge measurements showed that V2O5/PEI/CNPs presents a better performance than the other materials studied for this research. These results demonstrated that the specific capacity of the V2O5/PEI/CNPs was 137 mA h g-1 under the lowest current density applied and approximately 1.6 times higher than the specific capacity values obtained for the other materials under the highest current density applied. Moreover, it was observed that the variation of the maximum stoichiometric ratio (xmax) as a function of the current density is lower for the self-assembled materials than for the V2O5 electrode, which can be related to the higher ionic mobility of the lithium ion within the self-assembled materials. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) data demonstrated that the diffusion of the lithium ions within the self-assembled materials is higher than within the V2O5 electrode, and the diffusion coefficients were 1.64 x 10-15, 1.21 x 10-14 e 2.26 x 10-14 cm2 s-1 for V2O5, V2O5/PEI and V2O5/PEI/CNPs, respectively. Thus, the polymer and the CNPs provided new conducting pathways and connected isolated V2O5 chains in the host matrix. Therefore, novel spontaneous nanocomposites were formed, aiming to demonstrate the self-assembled method adopted for improving charge transport within host matrices.

La présente étude a pour objectif l'obtention d'une équation donnant la vitesse globale de la réaction (activité catalytique) de la réaction NH3-SCR sur des catalyseurs du type V2O5/WO3/TiO2 (a) utilisable pour des conditions expérimentales (pressions partielles des réactifs et des constituants du mélange gazeux et températures) réalistes des conditions des rejets gazeux des centrales à charbon et (b) capable de rendre compte des effets d'empoisonnements chimiques du catalyseur. Cette équation sera implantée dans un logiciel de modélisation de l'évolution des performances des catalyseurs industriels développé par EDF. Pour remplir ces objectifs, les outils et les procédures pour l'approche microcinétique expérimentale ont été appliqués. La caractérisation de la première étape clé qui consiste à adsorbé le réactif NH3 à la surface du catalyseur (type d'adsorption, chaleurs d'adsorption de chaque espèce) a nécessité le développement de la méthode AEIR (initialement adaptée à la caractérisation de CO adsorbé sur des particules métalliques). La réactivité des espèces NH3 adsorbées vis-à-vis des différents réactifs (H2O, NOx, O2) a ensuite été étudiée, conduisant à l'élaboration d'un mécanisme cinétique plausible. A partir de ce mécanisme, un modèle cinétique de la réaction NH3-SCR a été développé et comparé aux données expérimentales obtenues sur catalyseurs modèles et commerciaux. Dans la suite de l'étude, les impacts de plusieurs poisons sur les paramètres contrôlant la cinétique de la réaction ont été déterminés expérimentalement. Dans une dernière partie, un modèle permettant de modéliser les performances catalytique de monolithes a été développé (en intégrant le modèle cinétique mis en place au cours de cette étude) et comparé à des données expérimentales / The aim of the study is to obtain an equation for the overall reaction rate of the NH3-SCR reaction over V2O5/WO3/TiO2 catalysts (a) used for the experimental conditions (partial pressure of components of the gas mixture and temperature) realistic conditions of discharges from coal power plant and (b) able to take into account the chemical poisoning effects of the catalyst. This equation will be implemented in software developed by EDF for modeling the evolution of the performance of industrial catalysts. To fulfill these objectives, tools and procedures for the experimental microkinetic approach were applied. The characterization of the first key step of the reagent adsorbed NH3 on the surface of catalyst (type adsorption, heats of adsorption of each species) has necessitated the development of the AEIR method (initially adapted to the characterization of CO adsorbed on metal particles). The reactivity of the NH3 adsorbed species to the various reagents (H2O, NOx, and O2) was then studied, leading to the development of plausible kinetic mechanism. From this mechanism, a kinetic model of the NH3-SCR reaction has been developed and compared to experimental data obtained on model and commercial catalysts. In the remainder of the study, the impacts of several poisons to parameters that control the kinetics of the reaction were determined experimentally. In the last part, a model of catalytic monoliths performances was developed (by integrating the kinetic model developed in this study) and compared to experimental data

Cette thèse présente l'étude de deux systèmes colloïdaux : les suspensions de rubans V2O5 et les dispersions de nanotubes de carbonne. Nous avons étudié leur stabilité en fonction de différents paramètres physico-chimiques. Nous nous sommes notamment attachés à discerner les comportements qui sont contrôlés par la cinétique de ceux relevant d'arguments thermodynamiques. Nous avons montré que ce genre d'approche peut être mise efficacement à profit pour réaliser la mise en forme de matériaux, avec par exemple, un procédé simple pour assembler les nanotubes de carbone sous forme de fibres macroscopiques.

The reaction mechanism for the Selective Catalytic Reduction (SCR) of NO by NH3 on V2O5 surface was simulated by means of density functional theory (DFT) calculations performed at B3LYP/6-31G** level. As the initiation reaction, ammonia activation on V2O5 was investigated. Coordinate driving calculations showed that ammonia is adsorbed on Br&oslash / nsted acidic V-OH site as NH4 + species by a nonactivated process with a relative energy of -23.6kcal/mol. Vibration frequencies were calculated as 1421, 1650, 2857 and 2900cm-1 for the optimized geometry, in agreement with the experimental literature. Transition state with a relative energy of -17.1kcal/mol was also obtained. At the end of the Lewis acidic ammonia interaction calculations, it was observed that ammonia is hardly adsorbed on the surface. Therefore, it is concluded that the SCR reaction is initiated more favorably by the Br&oslash / nsted acidic ammonia adsorption. As the second step of the SCR reaction, NO interaction with the preadsorbed NH4 + species was investigated. Accordingly, NO interaction results in the formation of gas phase NH2NO molecule with a relative energy difference of 6.4kcal/mol. For the rest of the reaction sequence, gas phase decomposition of NH2NO was considered. Firstly, one of the hydrogen atoms of NH2NO migrates to oxygen. It then isomerizes in the second step. After that, the reaction proceeds with the isomerization of the other hydrogen. Finally, a second hydrogen atom migration to the oxygen leads to the formation of N2 and H2O. Total relative energy for this reaction series was obtained as -60.12kcal/mol, in agreement with the literature.

Le procédé sol-gel non-hydrolytique (SGNH) offre une alternative intéressante au procédés sol-gel classiques. Notamment, la « voie éther », impliquant la réaction de précurseurs chlorures ou oxychlorures avec avec un éther comme donneur d’oxygène, est une méthode simple et efficace pour la préparation d’oxydes et d’oxydes mixtes mésoporeux. Les batteries Li-ion sont omniprésentes aussi bien dans des applications portables que pour des véhicules électriques ou hybrides. Cependant, les performances des électrodes commerciales sont insuffisantes pour des applications haute puissance. TiO2 est un candidat prometteur pour remplacer les anodes de graphitie dans les batteries Li-ion, mais sa conductivité électronique doit être améliorée. L’objectif de ce travail de thèse est d’utiliser les avantages du procédé SGNH pour préparer des matériaux d’électrodes à base de TiO2. Deux approches ont été explorées, mettant en jeu la voie éther en l’absence de tout solvant ou additif. Premièrement, des oxydes mésoporeux à structure hiérarchique, TiO2 et TiO2-V2O5, ont été synthétisés par calcination des xérogels. Deuxièmement, des nanocomposites mésoporeux constitués de nanoparticules de TiO2 recouvertes d’un film de carbone ont été obtenus par pyrolyse sous atmosphère d’argon, l’éther jouant le rôle de donneur d’oxygène et aussi, pour la première fois, de source de carbone. Les matériaux ont été caractérisés par physisorption d’azote, microscopie électronique, DRX, spectroscopie Raman, ATG ainsi que par RMN 13C CPMAS pour les nanocomposites. Les performances en insertion-désinsertion du lithium ont été étudiées par cyclage galvanostatique à différentes densités de courant. / Non-hydrolytic sol-gel (NHSG) provides useful alternatives to conventional sol-gel routes. In particular, the ether route based on the reaction of chloride or oxychloride precursors with ether oxygen donors is a well-established method for the preparation of mesoporous oxides and mixed-oxides. Li-ion batteries are ubiquitous in the field of electrochemical energy storage, from mobile devices to electric and hybrid vehicles. However, commercial electrode materials do not fulfill all the requirements needed for high-power applications. TiO2 is as a promising material to replace graphite anodes in high-power Li-ion batteries, despite its poor electronic conductivity, which must be improved. In this context, the objective of this PhD thesis is the conception of different TiO2-based electrode materials benefitting from NHSG advantages. Two different approaches were developed, using the ether route in the absence of any solvent or additive. First, hierarchical mesoporous oxides, TiO2 and TiO2-V2O5, were synthesized by calcination of xerogels in air. Secondly, mesoporous nanocomposites built of carbon-coated TiO2 nanoparticles were obtained by pyrolysis under argon of the xerogels; in this case, the ether is used for the first time as both as an oxygen donor and a carbon source. The texture and the structure of the resulting materials were characterized by N2 physisorption, electron microscopy, XRD, and Raman spectroscopy. TiO2/C samples were further analyzed by TGA and 13C CPMAS-NMR. Galvanostatic cycling at different current rates was performed to determine the electrochemical performances in lithium insertion-deinsertion.

Rechargeable Li-ion batteries and supercapacitors are the most promising electrochemical energy storage devices in terms of energy density and power density, respectively. Recently, nanostructured materials have gained enormous interest in the field of energy technology as they have special properties compared to the bulk. Commercially available Li-ion batteries, which are the most advanced among the rechargeable batteries, utilize microcrystalline transition metal oxides as cathode materials which act as lithium insertion hosts. To explore better electrochemical performance the use of nanomaterials instead of conventional materials would be an excellent alternative. High Li-ion insertion at high discharge rates causes slow Li+ transport which in turn results in concentration polarization of lithium ions within the electrode material, causing a drop in cell voltage. This eventually, leads in termination of the discharge process before realizing the maximum capacity of the electrode material being used. This problem can be addressed by decreasing the average particle size which leads to an increase in surface area of the electrode material. Nanostructured materials, because of their high surface area and large surface to volume ratio, to some extent can overcome the problem of slow diffusion of ions. Supercapacitors are electrical energy storage devices which can deliver large energy in a short time. A supercapacitor can be used as an auxiliary energy device along with a primary source such as a battery or a fuel cell to achieve power enhancement in short pulse applications. Active materials for supercapacitors are classified into three categories: (i) carbonaceous materials, (ii) conducting polymers and (iii) metal oxides. Among the materials studied over the years, metal oxides have been considered as attractive electrode materials for supercapacitors due to the following merits: variable oxidation state, good chemical and electrochemical stability, ease of preparation and handling. The performance of supercapacitors can be enhanced by moving from bulk to nanostructured materials. The theme of the thesis is to explore novel routes to synthesize nanostructured materials for Li-ion batteries and supercapacitors, and to investigate their physical and electrochemical characteristics. Chapter I is an introduction of various types of electrochemical energy systems such as battery, fuel cell and supercapacitor. A brief review is made on electrode materials for Li-ion batteries and supercapacitors, and nanostructured materials. Chapter II deals with the study of nanostrip orthorhombic V2O5 synthesized by a two-step procedure, with the formation of a vanadyl ethylene glycolate precursor and post-calcination treatment. The precursor and the final product are characterized for phase and composition by powder X-ray diffraction (XRD), infrared (IR) spectroscopy, thermal analysis (TGA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The morphological changes are investigated using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). It is found that the individual strips have the following dimensions, length: 1.3 μm, width: 332 nm and thickness: 45 nm. The electrochemical lithium intercalation and de-intercalation of nanostrip V2O5 is investigated by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge cycling, galvanostatic intermittent titration technique (GITT) and electrochemical impedance spectroscopy. Chapter III describes the synthesis of nanoparticels of LiMn2O4 by microwave assisted hydrothermal method. The phase and purity of spinel LiMn2O4 are confirmed by powder XRD analysis. The morphological studies are carried out using FE-SEM and HRTEM. The electrochemical performance of spinel LiMn2O4 is studied by using CV and galvanostatic charge-discharge cycling. The initial discharge capacity is found to be about 89 mAh g-1 at a current density of 21 mA g-1 with reasonably good cyclability. Chapter IV deals with synthesis of MoO2 nanoparticles through ethylene glycol medium and its electrochemical characterization. XRD data confirms the formation MoO2 on monoclinic phase, space group P21/c. Polygon shape of MoO2 is observed in HRTEM. MoO2 facilitates reversible insertion-extraction of Li+ ions between 0.25 to 3.0 V vs. Li/Li+. CV and galvanostatic charge-discharge cycling are conducted on this anode material to complement the electrochemical data. Chapter V reports the synthesis of nanostructured MnO2 at ambient conditions by reduction of potassium permanganate with aniline. Physical characterization is carried out to identify the phase and morphology. The as prepared MnO2 is amorphous and it contains particles of 5 to 10 nm in diameter. On annealing at a temperature > 400 °C, the amorphous MnO2 attains crystalline α-phase with a concomitant change in morphology. A gradual conversion of nanoparticles to nanorods (length 500-750 nm and diameter 50-100 nm) is evident from SEM and TEM studies. High resolution TEM images suggest that nanoparticles and nanorods grow in different crystallographic planes. The electrochemical lithium intercalation and de-intercalation of nanorods was performed by (CV) and galvanostatic charge-discharge cycling. The initial discharge capacity of nanorod α-MnO2 is found to be about 197 mAh g-1 at a current density of 13.0 mA g-1. Capacitance behavior of amorphous MnO2 is studied by CV and galvanostatic charge-discharge cycling in a potential range from -0.2 to 1.0 V vs. SCE in 0.1 M sodium sulphate solution. The effect of annealing on specific capacitance is also investigated. Specific capacitance of about 250 F g-1 is obtained for as prepared MnO2 at a current density of 0.5 mA cm-2 (0.8 A g-1). Chapter VI pertains to electrochemical supercapacitor studies on nanostructured MnO2 synthesized by polyol method. Although X-ray diffraction (XRD) pattern of the as synthesized nano-MnO2 shows poor crystallinity, it is found that it is locally arranged in δ-MnO2 type layered structure composed of edge-shared network of MnO6 octahedra by Mn K-edge X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) measurement. Annealed MnO2 shows high crystalline tunneled based α-MnO2 as confirmed by powder XRD pattern and XANES. As synthesized MnO2 exhibits good cyclability as an electrode material for supercapacitor. In Chapter VII, capacitance behavior of nanostrip V2O5, TiO2 coated V2O5 and nanocomposites of PEDOT/V2O5 are presented. Structural and morphological studies are carried out by powder XRD, IR, TGA, SEM and TEM. Cyclic voltammogram of pristine V2O5 shows the regular rectangular shape indicating the ideal capacitance behavior in aqueous 0.1 M K2SO4. The SC value of pristine V2O5 is found to be about 100 F g-1. Nanostrip V2O5 is modified with TiO2 using titanium isobutoxide to enhance the capacitance retention upon cycling. Only 48 % of the initial capacitance remains in the case of pristine V2O5 after 100 cycles, while TiO2 coated V2O5 exhibits better cyclability with capacitance of 70 % of the initial capacitance. The capacitance retention is attributed to the presence of TiO2 on the surface of V2O5 which prevents the vanadium dissolution into the electrolyte. Microwave assisted hydrothermally synthesized PEDOT/V2O5 nanocomposites are utilized as capacitor materials. The initial SC of PEDOT/V2O5 (237 F g-1) is higher than that of either pristine V2O5 or PEDOT. The enhanced electrochemical performance is attributed to synergic effect and an enhanced bi-dimensionality. Details of the above studies are described in the thesis with a conclusion at the end of each Chapter.

L'objectif de ce travail est : (i) pour préparer des oxydes mixtes X% MxOy-TiO2 (M = V, Zr et Si), (X = 5, 10, 15 et 20 wt-.% MxOy.) par la méthode sol-gel et suivie par une calcination à 500° C, (ii) de caractériser les échantillons préparés par différentes méthodes d'analyse physico-chimique (AAF, ICP, DRX, BET, TG-DTA et FT-IR) et (iii) d'étudier leur réactivité dans l'époxydation de cyclohexène.D'après les résultats des caractérisations, nous constatons que :- L'analyse DRX montre que pour les trois systèmes nous avons l'apparition de la phase anatase de TiO2. La meilleure cristallinité a été observée pour le système en présence de V2O5. La phase de SiO2 est amorphe et la phase de ZrO2 n'a pas été détectée.- L'analyse par adsorption d'azote, donne le classement de ces systèmes selon leurs surfaces spécifiques comme suit :SiO2-TiO2>ZrO2-TiO2>V2O5-TiO2- L'analyse FT-IR de l'adsorption de la pyridine in situ montre que les trois systèmes présentent des sites acides de Lewis, alors que le 15%V2O5-TiO2 présente en plus les sites de Brönsted.Nous avons étudié aussi l'influence de divers paramètres expérimentaux sur la réaction d'époxydation du cyclohexène. Les résultats des tests catalytiques montrent que :- Les meilleurs résultats sont obtenus pour le système V2O5-TiO2.- Les meilleurs solvants sont l'heptane et l'acétonitrile qui donnent une bonne activité catalytique et une bonne sélectivité en époxyde.- La réaction d'époxydation du cyclohexène est une réaction du second ordre.- Le catalyseur 20% V2O5-TiO2 est stable au cours de la réaction catalytique et recyclable. / The aim of this work is: (i) to prepare mixed oxides X%MxOy-TiO2 (M = V, Zr and Si), (X = 5, 10, 15 and 20 wt.-% MxOy) by sol-gel method followed by calcination at 500°C, (ii) to characterize the prepared samples by different methods of physicochemical analysis (AAF, ICP, XRD, BET, TG-DTA and FT-IR) and (iii) to study their reactivity in the epoxidation of cyclohexene. According to the characterization results, we found that:- The XRD analysis shows that, for the three systems, TiO2 anatase has been evidenced. The best crystallinity was observed for the V2O5-TiO2 system. The TiO2 rutile phase has been obeserved for sample 5% ZrO2-TiO2, while the SiO2 phase is amorphous and ZrO2 phase was not detected.- Analysis by nitrogen adsorption, gave the sorting of these systems according to their specific surface areas as follows: SiO2-TiO2 > ZrO2-TiO2 > TiO2-V2O5- The FTIR analysis of in situ pyridine adsorption showed that all three systems display Lewis acid sites, whereassample 15% V2O5-TiO2 present Bronsted sites too.We studied the effect of different reaction parameters in the oxidation of cyclohexene. The results of the catalytic tests show that:- The best results are obtained for V2O5-TiO2 system.- The best solvents are heptane and acetonitrile which give good catalytic activity and high epoxide selectivity.- The epoxidation reaction of cyclohexene is a second-order reaction.- The catalyst 20%V2O5-TiO2 is stable during the catalytic reaction and suitable for recycling. / الهدف من هذا العمل هو تحضير أكاسيد المختلطةX%MxOy-TiO2, (M = V, Zr et Si), (X = 5, 10, 15 et 20 %) ، حيث X هو نسبة كتلة MxOy. تشخيص ودراسة نشاطها في اكسدة الهكسن الحلقي بوجود (TBHP) في الطور السائل. تم تحضير هذه أكاسيد المختلطة بطريقة sol-gel و حرقها تحت درجة حرارة 500 وتشخص هذه المواد بطرق مختلفة من التحليل الفيزيائية و الكيميائية (AAF, ICP, DRX, BET, ATG-ATD et FT-IR)وفقا لنتائج التشخيص نستخلص مايلي:-التحليل DRX تبين أن الأنظمة الثلاثة لديها طور anatase TiO2 ولوحظ أفضل التبلور في وجود نظام V2O5. وقد وجد طور rutile من TiO2 عن عينة 5%ZrO2-TiO2، في حين أن طور SiO2 غير متبلور ولم يتم الكشف طور ZrO2- تحليل عن طريق امتزاز النيتروجين BET ويعطي تصنيف هذه النظم حسب المساحة المحددة على النحو التالي:SiO2-TiO2> ZrO2-TiO2> TiO2-V2O5- أظهر تحليل FTIR بامتصاص بيريدين أن جميع الأنظمة الثلاثة لديها مواقع حمض لويس، في حين أن15%V2O5-TiO2 لديه بالإضافة مواقع برونستيد.درسنا أيضا تأثيرعدة عوامل التجريبية على تفاعل اكسدة الهكسن الحلقي بما في ذلك تأثير المذيب، كتلة المحفز، دراسة استقرار المحفز ودراسة الحركية التفاعل لتحسين المردودية و الانتقائية لإيبوكسيد.نتائج التفاعل المحفز تظهر أن:- تم الحصول على أفضل النتائج بوجود النظام V2O5-TiO2- أفضل المذيبات هي هيبتان والأسيتونيتريل لإعطاء فعالية جيدة وانتقائية عالية لإيبوكسيد.- تم الحصول على أفضل النتائج في حالة 100 و 150 ملغ مع تحويل 46 و 53٪ على التوالي. ولوحظ ان أفضل الانتقائية لإيبوكسيد (79٪) سجلت عند 100 ملغ من20 % V2O5-TiO2.رتبة تفاعل اكسدة الهكسن الحلقي في وجود 150 ملغ من 20 % V2O5-TiO2هي رتبة اثنين. المحفز 20 % V2O5-TiO2 هو مستقر خلال تفاعل تحفيز ومناسبة لإعادته عدة مرات.كلمات المفتاحية: سول جل، أكاسيد المختلطة، أكسدة الهكسن الحلقي، أوكسيد الهكسن الحلقي V2O5-TiO2, ZrO2-TiO2, SiO2-TiO2 ,

La present tesi doctoral tracta la modelitzacio de diferents estats de la materia: clusters o agregats, superficies i cristalls d'oxids metal.lics. Els metodes disponibles per abordar cada sistema han estat breument descrits, per justificar la seua utilitzacio en diverses aplicacions a materials. Primer, s'han proposat geometries per als agregats de V2O5 cations i neutres en fase gas, i s'han caracteritzat els estats electronics, estructura, espectre de vibracio i enllac quimic. Segon, s'han simulat superficies d'oxids metal.lics i processos d'adsorcio de molecules o atoms metal.lics: CH3OH i O2 sobre SnO2, Cu sobre ZnO. La interaccio adsorbat-superficie te lloc per un mecanisme acid/base, i s'ha caracteritzat la geometria i energia de cada supersistema (mode d'adsorcio, paper dels defectes de superficie). Finalment, s'ha estudiat el cristall de TiO2 en fase anatasa des de multiples punts de vista: descripcio de l'estructura en poliedres, estructura electronica (bandes i densitat d'estats), termodinamic (equacio d'estat) i d'enllac quimic ("Atoms In Molecules"). Les superficies mes estables han estat construides i els efectes de relaxacio avaluats.

Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'exploration de méthodes de synthèse innovantes conduisant à des matériaux hydrides structurés à l'échelle nanométrique par les voies de la chimie douce. Cette exploration s'est appuyée sur le développement d'un matériau hybride constitué d'une matrice de zircone yttriée au sein de laquelle est incorporé un cristal liquide minéral d'oxyde de vanadium V2O5. L'oxyde de vanadium en solution aqueuse forme des espèces colloïdales anisotropes ayant la forme de rubans de dimensions typiques 1 nm x 25 nm x 500 nm. Ces colloïdes sont stabilisés par une charge de surface négative, et s'organisent, à partir d'une certaine concentration, en une phase cristal liquide nématique, dont les domaines peuvent être orientés le long d'une direction commune à l'échelle macroscopique par l'application d'un champ magnétique faible. L'objectif est donc d'utiliser ces colloïdes anisotropes comme « template », en tirant parti de leurs propriétés d'organisation collective pour amener un ordre supplémentaire au sein du matériau hybride. Les expériences préliminaires ayant révélé une réactivité particulière de l'oxyde de vanadium vis-à-vis des composés moléculaires du zirconium, les études se sont tournées vers la préparation d'une suspension colloïdale mixte composée de nanoparticules de zircone et de rubans de V2O5, et constituant un sol précurseur du solide hybride envisagé. Les nanoparticules de zircone sont préparées par une synthèse hydrothermale remarquable conduisant à des nanoparticules monocristallines de l'ordre de 5 nm stables en suspension dans l'eau pure. Cependant, la préparation d'un sol mixte d'oxyde de vanadium et de zircone yttriée est très délicate, puisqu'il s'agit de stabiliser ensemble deux types de colloïdes, non seulement de forme et de taille différentes, mais aussi et surtout de charge de surface opposées. De plus, les conditions d'existence des rubans de V2O5 imposent un milieu de pH acide et de force ionique faible. Une première partie de cette thèse est donc dédiée à l'étude de la stabilisation électrostérique de suspensions de zircone par l'ajout de polyélectrolytes acides. L'effet de l'ajout de différents polymères présentant des fonctions acide carboxylique et acide sulfonique a ainsi été étudié. En particulier, l'influence de la masse moléculaire ou de la charge du polymère est discutée à travers les mesures de potentiel zêta et la détermination d'isothermes d'adsorption. Parmi les polymères étudiés, l'acide poly (vinyl sulfonique) (PVS) a permis d'obtenir des suspensions de zircone présentant des propriétés intéressantes en vue de la mise en contact avec les sols aqueux de V2O5. Ainsi, des sols mixtes zircone yttriée / PVS / V2O5 stables ont pu être préparés. Les limites de stabilité de tels sols mixtes sont discutées. Notamment, une compétition entre un effet de déplétion dû au mélange de colloïdes de forme et de taille différentes, et la formation d'un gel tridimensionnel stabilisé par les interactions répulsives entre les rubans de V2O5, semble avoir lieu. L'évaporation de tels sols mixtes a permis de préparer des solides hybrides, dont la biréfringence atteste d'une anisotropie générée par l'insertion de rubans de V2O5 au sein du solide. Ces solides ont été caractérisés par différentes techniques telles que la spectroscopie infrarouge, la diffraction des rayons X et la microscopie électronique en transmission.

L'objectif de la thèse est d'étudier des dispositifs électrochromes sur support flexibles. Ces systèmes ont une transmission dans le visible et le proche infra-rouge qui peut être modulée sous l'effet d'une tension électrique. Ils sont constitués d'un empilement de couches minces : - un film électrochrome à coloration cathodique à base de WO3, - une couche conductrice ionique au lithium, inorganique (LiPON) ou organique gélifiée, - une contre-électrode à coloration anodique ("LixNi0.5O") ou optiquement passive (V2O5). Cet ensemble, compris entre deux électrodes conductrices transparentes est déposé sur PET. Les couches électrochromes et l'électrolyte inorganique sont déposés par pulvérisation cathodique. La corrélation entre paramètres de dépôt, propriétés électrochromes et propriétés structurales a été établie.