L’utilisation de dioxygène lors de la délignification des pâtes à papier permet une réduction considérable des coûts de production et de l’impact environnemental du procédé de blanchiment. Seulement, le taux de délignification est limité par le fait qu’une partie de la lignine résiduelle n’est pas réactive vis-à-vis du dioxygène et que la cellulose est partiellement dépolymérisée au cours du procédé. L’utilisation de catalyseur pourrait permettre d’améliorer l’efficacité et la sélectivité de la délignification au dioxygène comme le suggèrent certaines études. Le complexe cuivre(II)-phénanthroline présente des résultats prometteurs en termes d’efficacité, mais entraîne une dégradation importante de la cellulose. Différents ligands polypyridiniques ont été étudiés dans ces travaux, afin de trouver un complexe du cuivre(II) présentant une affinité forte vis-à-vis de la lignine et faible vis-à-vis de la cellulose. Les complexes formés ont été caractérisés par spectroscopie UV/Vis et voltammétrie cyclique et étudiés comme catalyseurs de l’oxydation de différents substrats : un composé modèle de lignine non phénolique et des substrats lignocellulosiques (un modèle de cellulose, un modèle de lignine native et une pâte kraft industrielle). Les résultats ont montré que la nature même du ligand a un effet important sur l’activité catalytique du complexe de Cuivre (II) lors de l’oxydation du composé modèle de lignine. En revanche, les complexes actifs présentent une activité faible lors de la délignification d’une pâte kraft et oxydent fortement les hydrates de carbone. Ce manque de sélectivité ne permet pas une application pour la production de pâte à papier mais oriente l’utilisation de ce type de catalyseur dans de nouvelles applications n’ayant pas les mêmes contraintes sur le degré de polymérisation de la cellulose. / Dioxygen delignification considerably reduces the operating cost of the bleaching process and decreases the environmental impact of the bleaching effluent. Unfortunately the performance of dioxygen delignification is limited since part of the residual lignin is not reactive toward dioxygen while cellulose depolymerisation occurs. Studies suggested that dioxygen delignification could be improved thanks to the use of catalysts such as copper(II)–phenanthroline type complexes which have shown promising results on delignification efficiency. However cellulose was also more degraded. Different polypyridinyl ligands have been studied in this work, in an attempt to find copper(II) complexes that have more affinity toward lignin and less toward cellulose. Complexes have been characterised by UV/Vis spectroscopy, cyclic volammetry, and they were studied for the catalysed oxidation of various substrates: a non phenolic lignin model compound and lignocellulosic substrates (a model of cellulose, a model of native lignin and an industrial kraft pulp). It has been shown that the nature of the ligand had a significant effect on the catalytic activity of Cu(II) complexes in the oxygen oxidation of the lignin model compound. However, the active complexes only show a limited activity during the delignification of a kraft pulp and oxidize carbohydrates. This lack of selectivity prevents from an industrial application for paper pulp production but may be useful for the design of products with fewer constraints on cellulose polymerization degree.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Afin de répondre à une demande toujours croissante en capteurs, des systèmes de mesures optiques permettant la détection de récepteurs naturels ou synthétiques sur des substrats inorganiques ont été élaborés. Par résonance des plasmons de surface (RPS), nous avons montré que des films minces à base de copolymères de N-(acryloxysuccinimide) et de dérivés acrylates de poly (éthylène glycol) ou qu'un film mince de polyglycidol présentaient une résistance accrue à l'adsorption non-spécifique des protéines et qu'ils permettaient un greffage covalent de biomolécules par l'intermédiaire de leurs groupements réactifs respectifs. Un nouveau capteur basé sur la technologie des réseaux de Bragg en angle gravés sur une fibre optique a ensuite été développé et caractérisé grâce à l'emploi de films multicouches présentant des propriétés sélectives et réversibles de reconnaissance par formation de complexes d'inclusion entre des polymères de cyclodextrine et des dérivés de l'adamantane. A partir de cette fibre optique, il a aussi été possible de suivre en temps réel les transition de conformation interfaciale de chaînes de poly (acide acrylique) immobilisée de façon covalente au support en fonction du pH. Pour les deux approches, multicouche et covalente, des biocapteurs pour la détection de l'albumine de sérum bovin (BSA) ont été réalisés. De plus, les propriétés d'inclusion des cyclodextrines ont aussi été mises à profit pour complexer des petites molécules hydrophobes telles que le toluène pour élaborer un capteur chimique. Enfin, afin d'éviter l'utilisation d'un matériel biologique, des polymères à empreinte moléculaire (MIP) ont aussi été développés. La sélectivité, la spécificité et la sensibilité des films minces envers la molécule cible d'acide gallique, ont été évaluées par voltammétrie cyclique. Les résultats obtenus permettent d'affirmer que ces polymères se comportent comme de véritables récepteurs artificiels / To answer to an always increasing request in sensors, optical measurement systems allowing the detection of natural or synthetic receptors on inorganic substrates were elaborated. By Plasmon Surface Resonance (SPR), we showed that thin films constituted with copolymers of N-(acryloxysuccinimide) and poly (ethylene glycol) acrylates derivatives or that a thin film of polyglycidol presented a strong resistance in non-specific protein adsorption and that they allowed a covalent grafting of biomolecules through their respective reagent groupings. A new sensor, a tilted fiber Bragg gratings was then developed and characterized by using multilayers films presenting selective and reversible properties of recognition by forming inclusion complexes between polymers of cyclodextrine and adamantine derivatives. From this optical fiber, it was also possible to follow in real time interfacial conformation transition, according to the pH, of poly(acrylic acid) chains immobilized covalently on the substrate. For both approaches, biosensors for the detection of bovin serum albumin (BSA) were realized. Furthermore, the inclusion properties of cyclodextrine compounds allowed also the complexation of small hydrophobic molecules such as toluene, which forming chemical sensors. Finally, to avoid the use of a biological material, molecular imprinted polymers (MIP) were also developed. Their selectivity, specificity and sensibility toward gallic acid, the target molecule, were estimated by cyclic voltammetry. The results confirm that these polymers can be considered as artificial receptors

Lorsque trois atomes de lithium sont intercales chimiquement ou électrochimiquement dans V2O5, un nouveau matériau omega-Li3V2O5 se forme irréversiblement. Il présente une structure dérivée de NaC1. La désintercalation du lithium de ce matériau est complètement réversible dans le domaine d'intercalation 0,1<=x<=3,0. Les batteries au lithium ayant la phase omega-Li3V2O5 (forme in situ) comme électrode positive présentent des performances exceptionnelles, que ce soit du point de vue de l'energie massique ou de la tenue en cyclage. Cette étude a été transposée a des matériaux dérivant de V2O5 contenant du molybdène. La formation de la phase omega a été également observée. L'ensemble de ces matériaux a été étudie du point de vue électrochimique et structural. (Diffraction X et absorption X,MET).

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Le transfert d'électron associé au transfert de proton ou à la coupure de liaison est un processus omniprésent dans les systèmes naturels et biologiques. Comprendre les enjeux mécanistiques impliqués dans le fonctionnement de ces systèmes permet de les exploiter et de pouvoir les imiter. Deux systèmes bio-inspirés ont été étudiés par électrochimie directe, l'oxydation d'une paire de base guanine-cytosine et la réduction d'un cycloperoxyde assistée par la présence d'un groupe donneur de proton. Le premier système associe le transfert d'électron au transfert de proton alors que le second illustre le couplage entre le transfert d'électron et de proton et la coupure de liaison. L'appariement entre les bases de l'ADN par liaison hydrogène n'a aucun effet sur la cinétique et la thermodynamique de l'oxydation de la guanine. La réaction est cinétiquement contrôlée par la première étape du transfert électronique et le mécanisme impliqué est séquentiel. La coupure réductrice de la liaison O-O du cycloperoxyde assistée par la présence d'un groupe donneur de proton est comparée à un autre système où la fonction acide carboxylique est remplacée par un groupe méthoxy. Un décalage de 700 mV est observé entre les potentiels de pic des deux composés indiquant que le gain thermodynamique offert par l'étape de protonation est exprimé dans la cinétique de la réaction. Par conséquent le transfert d'électron dissociatif et le transfert de proton sont tous concertés. Un nouveau modèle cinétique simplifié a été établie pour décrire la dynamique de ce type de mécanisme appelé " tout concerté ".

Lorsqu'un solide est en contact avec un liquide, des phénomènes physico-chimiques conduisent à polariser l'interface. Deux zones de charge, de signe opposé, apparaissent à cette interface, une dans le solide et l'autre dans le liquide, formant ainsi la double couche électrique (DCE). Par rapport à la littérature existante, l’originalité de ce travail est de s’intéresser à la DCE à l’interface acier inoxydable 304L /film passif d’oxyde/ solution de NaCl (0.01M) en couplant des caractérisations électrochimiques, électriques et physiques. Une méthodologie de caractérisation par voie électrochimique en utilisant les méthodes de spectroscopie d’impédance (SIE) et de voltammétrie cyclique (CV) a été mise au point pour accéder à deux paramètres: la capacité effective et la densité surfacique de charge. Des modifications de la concentration de l'électrolyte, du potentiel appliqué et de l'état de surface ont ensuite été réalisées : la capacité effective de la DCE dépend principalement de la concentration et du potentiel et la densité surfacique de charge croît avec la concentration. Dans la gamme étudiée, la rugosité a une faible influence sur la capacité effective mesurée. Des analyses physico-chimiques de la surface ont permis de caractériser les films passifs formés sur l'acier, sans révéler de différences significatives entre les surfaces avant et après immersion. Un autre paramètre caractéristique de la DCE, la densité volumique de charge à la paroi, a été aussi déterminé par la méthode d'électrisation par écoulement du liquide. Les 3 méthodes de caractérisation (SIE, CV et électrisation) confirment l'influence de la concentration sur les caractéristiques de la DCE. / When a metal is immersed in an electrolyte, a charge distribution is created at the interface and a potential is set up across the two phases. The separation between charges give rise to what are known as electric double layers (EDL). Compared to the usual solid/liquid interfaces investigated in the literature, this study is dedicated to the EDL at the stainless steel 304L / passive film / NaCl (0.01M) interface by combining electrochemical, electrical and physical methods. First, a methodology has been set up to characterise the EDL by the electrochemical methods: Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV). Both the effective capacity and the surface charge density were evaluated. Then, several parameters were investigated such as the electrolyte concentration, the applied potential and the influence on the EDL of the surface preparation. The results showed that the double layer capacitance depends mainly on the concentration of the electrolyte and on the applied potential. The roughness seems to have a poor influence on the measured capacitance. Various physico-chemical analysis were performed in order to characterise the passive films formed at the surface: no significant difference could have been evidence between the surfaces before and after immersion. Finally, the volume charge density was also determined by the liquid flow electrification measurement. Whatever the characterization techniques used (EIS, CV or flow electrification), the same trend was observed with regard to the influence of the concentration on the characteristics of the EDL.

Le domaine de la bioénérgétique traîte de la circulation et de la transformation de l’énergie dans et entre des organismes et leur environnement. Dans ce manuscrit de thèse, la respiration cellulaire et plus particulièrement la première enzyme de la chaîne respiratoire, la NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complexe I) ont été étudiées, dans l’objectif de clarifier sa fonction et son implication dans certaines maladies. Dans une première partie, la création d’une sonde impliquant l’enzyme immobilisée de façon biomimétique est décrite. La caractérisation de ce système est effectuée via spectroscopie infrarouge par exaltation de surface (SEIRAS) couplée à de l’électrochimie. Sa réponse à l’ajout de substrats et d’inhibiteurs est ensuite présentée. Dans une seconde partie, l’interaction du Complexe I avec des lipides et des inhibiteurs (Zn2+ et NADH-OH) ainsi que le rôle d’une Tyrosine située au site de fixation du NADH ont été étudiés par spectroscopies IR et UV-Vis différentielles induites par électrochimie. L’exploration des résultats obtenus sous un angle structural a finalement permis de proposer un modèle pour le mécanisme de couplage entre la réduction d’ubiquinone et le pompage de protons par le Complexe I. / The field of bioenergetics deals with the flow and transformation of energy within and between living organisms and their environment. The work presented in this thesis report focuses on cellular respiration and more specifically on the first enzyme of the respiratory chain, NADH:ubiquinone oxidoreductase (Complex I). This was done to clarify details about its function and its implication in disease. First, the creation of a sensor involving the biomimetically immobilized enzyme is presented and probed through a combination of surface enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) and electrochemistry. This sensor is then tested against different substrates and inhibitors. In a second part, the interaction of Complex I with lipids, inhibitors (Zn2+ and NADH-OH) and the role of a Tyrosine residue situated in the NADH binding pocket are investigated through electrochemically induced UV-Vis and FTIR difference spectroscopies. The results gathered through these experiments are then explored under a structural perspective and a coupling mechanism between quinone reduction and proton translocation by Complex I is proposed.

Les travaux présentés dans ce manuscrit décrivent le développement de trois supports innovants basés sur des nanofibres de matériaux hybrides obtenus par électrofilage pour la réalisation de biocapteur électrochimiques. La performance des biocapteurs est fortement améliorée du fait de l'utilisation de matériaux nanostructurés qui leurs confèrent des propriétés uniques. Les fibres obtenues par électrofilage trouvent des applications dans de nombreux domaines, mais leur utilisation pour l'élaboration de biocapteurs, bien que très prometteuse, est encore très peu abordée. Dans ce travail, différentes nanofibres polymériques contenant des nanotubes de carbone ou recouvertes de nanoparticules d'or ou d'un film de copolymère polypyrolle / poly(pyrolle-3-carboxylique acide) ont été utilisées comme support pour le développement de biocapteurs. La glucose oxydase a été utilisée comme enzyme modèle pour valider les performances des biocapteurs réalisés. Cette enzyme a été incorporée directement dans les nanofibres ou fixée de façon covalente à leur surface. Les biocapteurs ainsi obtenus, caractérisés par différentes techniques microscopiques et électrochimiques, ont permis la détection du glucose avec succès, en utilisant la voltammétrie cyclique et la spectroscopie d'impédance électrochimique, tout en montrant des performances (sensibilité, reproductibilité, stabilité) supérieures à celles des biocapteurs conventionnels / The work detailed within this manuscript describes the development of three novel efficient electroactive platforms based on electrospun nanofibrous hybrid materials for further application to electrochemical biosensors elaboration. The performance of biosensors is enhanced by their coupling with nanoscale materials, due to the unique properties that the latter exhibit. Although electroctrospun fibers find applications in various fields, their exploitation for biosensing is still in an early but promising stage. Herein, different polymeric nanofibers incorporating carbon nanotubes, decorated with gold nanoparticles or coated with conducting polypyrrole/poly(pyrrole-3-carboxylic acid) films were used as platforms for the development of biosensors. Glucose oxidase was used as a model enzyme to validate the performance of the developed biosensors. The enzyme was either incorporated into the nanofibers or covalently immobilized onto their surface. These innovative biosensors, characterized by different microscopic and electrochemical techniques, enabled successful detection of glucose by employing cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, whilst demonstrating enhanced performances over conventional biosensors in terms of sensitivity, reproducibility and stability

Cette thèse a permis de mettre en évidence les mécanismes de vieillissement de la pile à combustible de type PEM lors de cyclages d'humidité de l'air et suite à la perforation de l'AME (Assemblage Membrane Electrodes). Premièrement, les mécanismes connus de dégradation des divers composants (membrane, catalyseur, support du catalyseur, GDL, plaques bipolaires et joints d'étanchéité) ont été présentés. Ensuite, les outils de diagnostic en-ligne (chronopotentiométrie, spectroscopie d'impédance, gestion de l'eau et analyse chimique de l'eau) et ceux hors-ligne (CV et LSV) ainsi que des analyses post-mortem (RMN, MET, MEB et DRX) ont été décrits. Expérimentalement, le cyclage en humidité de l'air a été effectué en mono-cellule de 25 cm2: le cyclage à forte humidité entraîne une perte significative de la surface électroactive du catalyseur; le cyclage à faible humidité favorise la perméation de l'hydrogène à travers la membrane. Le cyclage à faible humidité réalisé sur une pile de 100 cm2 a montré un mécanisme de dégradation différent de celui de la pile de 25 cm2: la perméation de l'hydrogène reste faible alors que la tension de la pile était de plus en plus fluctuante certainement du fait de la présence de volumes morts et de la rétention d'eau liquide dans la pile. L'effet de la perforation de l'AME a été étudié sur une pile de 100 cm2: la perforation par une punaise de 0,7 mm de diamètre ne génère qu'une légère augmentation de la perméation de l'hydrogène; la perforation par une punaise de 1,2 mm de diamètre entraîne une chute de tension et l'augmentation significative de la résistance de diffusion de l'oxygène due à la perméation importante de l'hydrogène / This thesis highlights the aging mechanisms of PEM Fuel Cell submitted to two main aging conditions: air relative humidity (RH) cycling, and MEA (Membrane Electrode Assembly) pinhole test of operation. First, the aging mechanisms of PEMFC main components (membrane, catalyst, carbon support, GDL, bipolar plates and gaskets), have been reviewed from the literature. Then the on-line diagnostic tools (chronopotentiometry, electrochemical impedance spectroscopy, water management and water analysis), off-line ones (cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry) and post-mortem analyses (nuclear magnetic resonance, transmission electron microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction) have been described. Experimentally, the high and low air RH cycling runs have been carried out with a 25 cm2 single cell: the high air RH cycling run promoted serious loss of the ElectroChemical Surface Area (ECSA); the low air RH cycling run caused significant increase in hydrogen crossover. The low air RH cycling has been also performed with a 100 cm2 single cell and the aging mechanism was different from that of 25 cm2 cell: the hydrogen crossover remained very low but the fuel cell voltage exhibited strong fluctuations at the end of the run: this was attributed to the presence of dead volumes and liquid water retention within the cell. Finally, MEA pinhole effect has been investigated with a 100 cm2 single cell: the perforation by a 0.7 mm diameter pin promoted slight increase in the hydrogen crossover; the perforation by a 1.2 mm diameter pin caused significant cell voltage losses and serious increase in the cathode diffusion resistance due to significant hydrogen crossover