Dans le domaine spatial, la contamination moléculaire est un problème important pouvant affecter considérablement la performance des instruments embarqués. Selon l’environnement thermique, certaines molécules polluantes provenant du dégazage sous vide des matériaux constitutifs des satellites viennent en effet se déposer sur les surfaces sensibles telles que les optiques et les différents détecteurs. Grâce à leur structure microporeuse organisée qui leurs confère de remarquables capacités d’adsorption, les zéolithes sont des solides de choix pour minimiser les risques de pollution. Les pastilles, billes et peintures zéolithiques offrent plus précisément l’avantage d’être directement intégrées dans la structure interne des satellites, sont légères et non pulvérulentes. C’est pourquoi l’objectif de cette thèse est d’étudier la mise en forme de poudre zéolithique. Les propriétés mécaniques et les propriétés d’adsorption des objets obtenus seront étudiées pour confirmer leur utilisation dans le domaine du spatial.Au cours de ce travail, trois mises en forme ont été développées : les pastilles, les billes et les peintures zéolithiques. Les pastilles zéolithiques ont présenté des propriétés mécaniques très intéressantes, contrairement aux billes zéolithiques qui peuvent engendrer une contamination particulaire lors de la mise en orbite du satellite (vibrations). Les capacités d’adsorption de ces deux mises en forme sont satisfaisantes : des molécules telles que le n-hexane, le cyclohexane et le 3-méthylpentane y ont été adsorbées. Enfin, la première formulation de peinture zéolithique a conduit à des capacités d’adsorption correctes (diminution de 20 % due à la présence de liant) avec une adhésion (test ISO 2409) acceptable. Cette dernière mise en forme est une des nombreuses perspectives des travaux réalisés au cours de cette thèse. / In low earth orbit, global performances of satellites can be affected by the contamination of critical surfaces as optical devices and detectors. On-orbit molecular contamination is due to outgassed organic pollutants emanating from spacecraft materials. One way to reduce and to eliminate this phenomenon is the use of molecular adsorbents. Among them, zeolites appear to be relevant materials for contaminants retaining. Unlike common powder materials, zeolites films can also avoid the secondary dust contamination due to particles breeding and can be easily inserted in the satellite structure. As a consequence, this work deals with the shaping of zeolitic powder.Three shapes were developed during this work: pellets, beads and paints. Zeolitic pellets showed very interesting mechanical properties, on the contrary to zeolitic beads which can beget a particulate contamination (vibrations). The adsorption capacities of these two shapes are good: molecules such as n-hexane, cyclohexane and 3-methylpentane were adsorbed. Finally, the first formulation of a zeolitic paint was developed: a loss of 20 % of the adsorption capacities was observed (presence of binder). The adhesion (ISO 2409 test) was acceptable. This last shape is one of the many perspectives of this work.

De nombreux problèmes d'optimisation propres à différents secteurs industriels et académiques (énergie, chimie, transport, etc.) nécessitent de concevoir des méthodes de plus en plus efficaces pour les résoudre. Afin de répondre à ces besoins, l'objectif de cette thèse est de développer une bibliothèque composée de plusieurs métaheuristiques hybrides distribuées et massivement parallèles. Dans un premier temps, nous avons étudié le problème du voyageur de commerce et sa résolution par la méthode colonie de fourmis afin de mettre en place les techniques d'hybridation et de parallélisation. Ensuite, deux autres problèmes d'optimisation ont été traités, à savoir, le problème d'affectation quadratique (QAP) et le problème de la résolution structurale des zéolithes (ZSP). Pour le QAP, plusieurs variantes basées sur une recherche taboue itérative avec des diversifications adaptatives ont été proposées. Le but de ces propositions est d'étudier l'impact de : l'échange des données, des stratégies de diversification et des méthodes de coopération. Notre meilleure variante est comparée à six des meilleurs travaux de la littérature. En ce qui concerne le ZSP, deux nouvelles formulations de la fonction objective sont proposées pour évaluer le potentiel des structures zéolitiques trouvées. Ces formulations sont basées sur le principe de pénalisation et de récompense. Deux algorithmes génétiques hybrides et parallèles sont proposés pour générer des structures zéolitiques stables. Nos algorithmes ont généré actuellement six topologies stables, parmi lesquelles trois ne sont pas répertoriées sur le site Web du SC-IZA ou dans l'Atlas of Prospective Zeolite Structures. / Many optimization problems specific to different industrial and academic sectors (energy, chemicals, transportation, etc.) require the development of more effective methods in resolving. To meet these needs, the aim of this thesis is to develop a library of several hybrid metaheuristics distributed and massively parallel. First, we studied the traveling salesman problem and its resolution by the ant colony method to establish hybridization and parallelization techniques. Two other optimization problems have been dealt, which are, the quadratic assignment problem (QAP) and the zeolite structure problem (ZSP). For the QAP, several variants based on an iterative tabu search with adaptive diversification have been proposed. The aim of these proposals is to study the impact of: the data exchange, the diversification strategies and the methods of cooperation. Our best variant is compared with six from the leading works of the literature. For the ZSP two new formulations of the objective function are proposed to evaluate the potential of the zeolites structures founded. These formulations are based on reward and penalty evaluation. Two hybrid and parallel genetic algorithms are proposed to generate stable zeolites structures. Our algorithms have now generated six stable topologies, three of them are not listed in the SC-JZA website or in the Atlas of Prospective Zeolite Structures.

Les composés organiques volatiles (COVs) sont les polluants organiques atmosphériques les plus abondants. Parmi les différentes solutions pour combattre cette pollution, l'utilisation d'adsorbants moléculaires tels que les zéolithes semble être efficace. Cependant les synthèses classiques de zéolithes aboutissent généralement à des tailles de cristaux de l'ordre de plusieurs dizaines de micromètres. Les capacités et les cinétiques de piégeage, sensibles aux phénomènes de diffusion et de surface pourraient potentiellement être améliorées par l'utilisation de nanocristaux ou de produits zéolithiques hiérarchisés (micro/mésoporeux). Dans ce travail de thèse, nous avons synthétisé des zéolithes aluminosiliciques ou purement siliciques de type structural FAU, MFI et *BEA. Ces dernières sont synthétisées avec différentes morphologies et tailles de particules telles que les nanocristaux et les zéolithes hiérarchisées (nanofeuillets et/ou nanoéponges en utilisant des agents structurants bifonctionnels). Ces matériaux sont comparés aux zéolithes conventionnelles, afin d'étudier l'influence de la morphologie sur la cinétique et la capacité de piégeage de COVs. Les caractéristiques structurales et texturales des zéolithes synthétisées ont été étudiées par ORX, MEB, manométrie d'adsorption/désorption de diazote, ATG-ATD, RMN du solide. Enfin, la capacité d'adsorption d'une molécule modèle, le n-hexane, au sein de ces zéolithes a été étudiée par thermogravimétrie. Dans le cas des zéolithes de type MFI et *BEA, les zéolithes hiérarchisées ont montré une augmentation de la capacité de piégeage en n-hexane par rapport aux zéolithes conventionnelles. La capacité de piégeage en n-hexane a été multipliée par 7 dans le cas des nanoéponges de type *BEA et par 6 dans le cas des nanocristaux de type *BEA comparés aux microcristaux de type *BEA (693 mg/g vs 103 mg/g et 591 mg/g vs 103 mg/g, respectivement). / Volatile organic compounds (VOCs) are the most abundant organic pollutants. Among the various solutions to fight against this pollution, the use of molecular adsorbents appears as a potential alternative for the control of contamination. The porous materials have many advantages due to their low cost, their physical characteristics and their useful properties related to their structure and their large surface area. However, conventional synthesis of zeolites generally lead to micrometer size crystals. The capacity and the kinetics of adsorption that are sensitive to the diffusion and the surface phenomena could be potentially improved by the use of zeolite nanocrystals or hierarchical products (micro / mesoporous). These nanomaterials have high potential due to their small size and their exalted outer surface that promote access of pollutants and improve the adsorption capacity. ln the thesis work, we synthesized zeolites with different structural types such as FAU, MFI and *BEA. Each structure type was synthesized in different morphologies such as nanosponges and /or nanosheets using a bifunctional structuring agent, as well as nanocrystals by the clear solution method. These materials were compared with conventional micrometer-sized zeolites. The purity and the porous texture have been characterized by using XRD, SEM, nitrogen adsorption/desorption techniques, TGA-DTA and solid state NMR. Finally, the adsorption capacity of a model molecule, the n-hexane, in these zeolites have been studied by thermogravimetry. In the case of *BEA and MFI-type zeol ites, the hierarchical zeolites showed an increase of the adsorption capacity of n-hexane compared to conventional zeolites. The adsorption capacity of n-hexane was multiplied by 7 in the case of *BEA-type nanosponges and by 6 in the case of the *BEA-type nanocrystals compared to *BEA_type microcrystals (693 mg / g vs 103 mg / g and 591 mg / g vs 103 mg / g, respectively).

L’obtention de nouvelles structures zéolithiques a été permise grâce à la diversification des conditions de synthèse, comme l’utilisation d’ions fluorures, la substitution partielle du silicium par du germanium ou l’ajout d’un agent structurant organique. Les travaux développés au cours de cette thèse se concentrent sur la synthèse de nouveaux solides microporeux zéolithiques possédants de larges à extra-larges pores (>10 unités TO4) à l’aide de nouvelles molécules organiques structurantes. Le travail de thèse se divise donc en deux étapes avec, dans un premier temps, la synthèse de molécules organiques originales (dérivées de la pyrrolidine) qui sont ensuite engagées en synthèse hydrothermale. Huit nouveaux structurants non commerciaux ont été élaborés qui ont permis d'obtenir divers matériaux déjà connus, parmi lesquels les zéolithes octadécasil (AST), ITQ-7 (ISV), ITQ-17 (BEC) et ITQ-21. L'utilisation des cations N,N-diméthylperhydro-dicyclopenta[b,d]pyrrolium et N,N-diméthyldicyclopentylammon-ium, ont permis la découverte de deux nouveaux silicogermanates dont l’un de topologie connue nommé clovérite (-CLO) et l’autre nommé Mu-43 présentant une topologie de charpente inédite. Chacun de ces deux matériaux possède un système tridimensionnel de canaux avec des ouvertures à 12 atomes T (Mu-43) ou à 20 atomes T (clovérite). / Several synthetic strategies have emerged such as the use of fluoride, the introduction of germanium and the development of new organic structure directing agents (SDAs) to obtain zeolites, which have led to significant structural diversity. Previous works at the laboratory enable us to develop a new range of non-commercial SDAs that have been designed to produce novel extra-large pores zeolites (>10 TO4 units). Elaborated organic structure directing agents (pyrrolidine derivatives) were first synthesized by a concise route and then engaged in hydrothermal synthesis. Eight non-commercial and original SDAs were produced which led to the synthesis of several known zeolites such as octadecasil (AST), ITQ-7 (ISV), ITQ-17 (BEC) and ITQ-21. The use of the cations N,N-dimethylperhydro-dicyclopenta[b,d]pyrrolium and N,N-dimethyldicyclopentyl-ammonium, allowed us to discover two new silicogermanates named cloverite of known topology -CLO and the novel one Mu 43. Each of these two materials possesses a three-dimensional channel system with 12-membered ring pores (Mu-43) or 20-membered ring pores (cloverite).

Ce travail de thèse inclut deux parties : i) l'étude fondamentale de la formation de cristaux zéolithiques ; et ii) la préparation de massifs zéolithiques de taille centimétriques à porosité interparticulaire contrôlée. La première partie de ce travail est donc consacrée à l'étude de l'effet de la microstructure (propriétés physiques et texturales) et de la composition chimique du gel sur la vitesse de nucléation et la taille des cristaux formés. Les résultats de cette étude se résument par le rôle important que joue la composition du gel (plus particulièrement sa concentration en hydroxyde de cation alcalin) sur le degré de polymérisation des particules du gel, la détermination de sa microstructure et par conséquent sur la vitesse de nucléation des zéolithes et la taille des cristaux. Les connaissances acquises dans la première partie ont été utilisées dans le développement du deuxième objective. Notamment, la préparation de massifs zéolithiques de taille centimétrique de types structuraux *BEA et MFI. Le contrôle post-synthèse de la porosité interparticulaire de ces massifs était essentiel pour leur utilisation dans des applications bien précises. A cette fin, une méthode en deux étapes, comportant un assemblage de nanocristaux de zéolithes préformés (en présence ou en absence d'un liant) puis un traitement de croissance secondaire pour l'élimination de la porosité interparticulaire, a été mise en œuvre. Plusieurs traitements de croissance secondaire furent évalués selon le type de zéolithe étudié. Une attention particulière fut accordée à l'étude de l'évolution du liant au cours des processus de préparation et de calcination des massifs zéolithiques. / The present study includes two parts: i) fundamental study of zeolite nucleation-crystal growth mechanism; and ii) preparation of zeolite bodies with controlled interparticle porosity.Thus the first part of the present work deals with the study of the effect of physico-chemical characteristics of initial hydrogel on the nucleation and crystal growth kinetics of zeolite crystals. The obtained data revealed that the concentration of alkali metal hydroxide in the initial system controls the rate of polymerization of the aluminosilicate species, the size of initial gel particles, and the textural properties of the gel. Consequently, the following reaction was to great extent predetermined by the events taking place during mixing the initial reactants.The second part of this work was targeted at the preparation of centimeter-sized zeolite bodies of *BEA- and MFI-type with reduced to minimum inter-particle porosity. A preparation method consisting in assembling of zeolite nanocrystals (with or without a binder) was developed and further optimized. The preformed bodies were subjected to a hydrothermal treatrnent in a fresh zeolite synthesis solution in order to till up the inter-particle porosity. Depending onthe zeolite type, different methods of secondary growth treatrnents were employed. A particular attention has been paid on the study of the binder evolution during the calcination and secondary growth processes.

Les composés organiques volatils constituent l'une des principales sources de réaction photochimique dans l'atmosphère qui conduit à de nombreux dangers sur le plan environnemental. Ce phénomène au développement rapide du fait des progrès industriel a provoqué une prise de conscience qui s'est traduite par la mise en place de décrets visant à réduire et contrôler ces émissions. De nombreuses techniques permettant de solutionner ce problème existent mais sont cependant trop coûteuses pour pouvoir être développé industriellement.Aujourd'hui, seule la mise en place d'une unité d'adsorption s'avère intéressante pour les industries : ces installations existent et emploie le charbon actif, adsorbants universel utilisé dans la plupart des procédés de traitement des gaz contaminés par des composés organiques volatils. Toutefois, l'inflammabilité et la friabilité de ces matériaux actifs, leurs durées de vie réduites, ainsi que les difficultés de leur régénération mettent en question leur universalité en tant qu'adsorbants industriels. Il apparaît donc nécessaire de favoriser le développement et l'application d'adsorbants alternatifs dont les propriétés physico-chimiques permettraient de pallier les faiblesses des CA. L'objectif de ces travaux de recherches consiste à élaborer des matériaux hydrophobes sur la base de supports minéraux existant tels que les alumines activées et les zéolithes : la carbonisation de la surface permet de conférer à ces matériaux un caractère hydrophobes tout en respectant un cahier des charges : conservation des propriétés poreuses, une bonne thermorésistance en vue de leur régénération ainsi qu'une dureté élevée permettant une viabilité du produit. Pour ce faire, la méthode Chemical Vapour Deposition a été mise en œuvre : la pyrolyse catalytique non hétérogène a permis de démontrer la faisabilité de cette étude et a conduit à l'élaboration d'un produit SPH 538 E Ac-H présentant une capacité d'adsorption proche du charbon actif et une facilité à désorber les molécules organique. La pyrolyse catalytique a conduit à l'élaboration de nanostructures de carbone sur la bes de catalyseurs d'oxydes métalliques : ces matériaux totalement hydrophobes et parfaitement régénérables présentent des caractéristiques adaptées au domaine analytique. Dans l'optique, d'une éventuelle commercialisation de ces adsorbants hydrophobes, une étude économique permettant d'évaluer le coût de revient de la production de ce produit est présentée.

L'objectif de ce mémoire est de présenter une étude aussi complète que possible de l'effet Stark dans les toupies asymétriques de type X2Y4 possédant le groupe de symétrie D2h et de l'appliquer au problème de la spectroscopie de l'éthylène piégé dans une zéolithe. Pour la première fois, un formalisme tensoriel adapté à l'étude de l'effet Stark pour la chaine de groupes O(3) D2h a été développé. Parallèlement au développement du modèle théorique, des programmes informatiques ont été mis au point sous la forme d'une nouvelle génération de logiciel appelé D2hTDS-ST utilisant une base plus simple, permettant une économie en temps de calcul. Sur la base des outils théoriques et informatiques ainsi qu'à partir des spectres expérimentaux enregistrés au laboratoire, nous avons fait une première estimation de la valeur du champ électrique effectif moyen produit par la silicalite-1. Les valeurs du champ électrique obtenues avec notre méthode sont cohérentes avec les valeurs obtenues par les calculs ab initio PBE1PBE6-31++G(2d,2p).

Les aluminosilicates poreux cristallins tels que les zéolithes cationiques de type faujasite sont largement étudiés en raison de leurs propriétés d’adsorption, d’échange ionique et de catalyse, ce qui leurs valent d’être engagées dans de nombreuses applications industrielles, qui font intervenir de plus en plus de cations multivalents (détergents/ adoucissants, craquage catalytique, décontamination,...). Ces différentes applications industrielles ont en commun les propriétés d’adsorption, résultant d’une part de la taille de leurs pores du même ordre de grandeur que les espèces introduites, et d’autre part de leur composition chimique qui conduit à des charges de charpente, à l’origine de sites de forte interaction ou de répulsion localisés. Dans ces applications, les zéolithes sont hydratées. L’eau est associée aux processus mis en jeu et influence ainsi les autres propriétés du matériau. La modélisation moléculaire est un outil de choix pour prédire et comprendre les propriétés microscopiques du matériau hydraté, qui sont difficilement accessibles expérimentalement. Ce travail de modélisation porte plus précisément sur le comportement des cations multivalents dans les matériaux zéolithiques hydratés, en collaboration avec des expérimentateurs. Notre étude sur une zéolithe faujasite Y a permis tout d’abord de clarifier la migration des cations sodium au cours de la déshydratation, et de prédire la localisation cationique dans le matériau hydraté en présence d’ions bivalents. De plus, nous avons montré qu’il était possible de rationaliser conjointement la migration des cations et les déformations structurales dans la faujasite au cours de l’adsorption d’eau. À cet effet, nous avons développé une méthode d’analyse pour la localisation cationique. La bonne performance d’un champ de force polarisable démontrée au cours de ce travail ouvre la voie à l’étude de la dynamique globale du système, en permettant le suivi de la migration cationique simultanément à la déformation de la charpente. A plus long terme, cette approche pourra être étendue à d’autres ions multivalents d’intérêt (terres rares, éléments f, ...). / Porous crystalline aluminosilicates such as cationic zeolites, are widely studied because of their adsorption, ion exchange and catalytic properties, which explain their use in many industrial applications. Examples of the latter, which involve in particular multivalent cations, include detergents/softeners, catalytic cracking, or decontamination. Such industrial applications of zeolites all exploit their adsorption properties, which vary as a function of the pore size, comparable to the adsorbing molecules, or chemical composition, which results in charges within the framework, and in turn strong binding or repulsive sites. Importantly, in such applications zeolites are hydrated. Water is involved in the microscopic processes and thus influences all properties of the material. Molecular modeling is a weapon of choice to predict and understand the microscopic properties of the hydrated material, which are difficult to access experimentally. More precisely, the present modeling work deals with the behavior of multivalent cations in hydrated zeolites, in collaboration with experimentalists. Our study on zeolite Y faujasite first allowed us to clarify the migration of sodium cations upon dehydration and to predict the cation localisation in the hydrated material in the presence of divalent cations. Furthermore, we rationalized the coupled migration of cations and deformation of the framework upon water adsorption. To this end, we have developed a new method for the analysis of cation localization. The good performance of a polarizable force field demonstrated here paves the way for the study of the dynamics of the whole system, following in particular the simultaneous migration of cations and deformation of the framework. Such an approach could be later extended to other multivalent ions of industrial interest (rare Earths, f-block elements, ...).

De nos jours, l’industrie chimique est de plus en plus confrontée à la question de son impact environnemental. Dans le même temps, elle doit faire face à la diminution des ressources de matières premières importantes tels que les métaux de transition, tout en respectant des contraintes économiques. Ces travaux de thèse avaient pour but de tenter de répondre à ces exigences, par le développement de méthodologies de synthèse basées sur l’utilisation de catalyseurs hétérogènes recyclables. En combinant les propriétés catalytiques de certains ions métalliques avec les propriétés de catalyseurs solides tels que les polyoxométallates ou les zéolithes, nous avons pu mettre au point de nouveaux outils pour la synthèse organique. Les polyoxométallates dopés à l’argent ont démontré leur efficacité dans le réarrangement d’alcynyloxiranes en furanes. La synthèse de spiroacétals et d’acétals par dihydroalkoxylation d’alcyne diols a été effectuée pour la première fois en catalyse à l’argent, via l’utilisation de zéolithes. En perspective, nous avons mis en évidence les applications potentielles de ces procédés verts dans la synthèse totale de molécules plus complexes. Les premiers résultats suggèrent que de telles synthèses plus respectueuses de l’environnement ont tout intérêt à être davantage utilisées à l’avenir. / Nowadays, the modern chemical industry has to deal with increasing environmental concerns, including the disposal of waste and its economic impact, or the diminution of important worldwide resources such as transition metals. In this Ph.D. thesis, we aimed to bring improvement in this area by the development of green processes, based on the use of recyclable heterogeneous catalysts. By combining the catalytic properties of several metal cations with the properties of solid catalysts such as polyoxometalates or zeolites, we were able to set up new tools for organic synthesis. Silver-doped polyoxometalates proved to be very efficient catalysts in the rearrangement of alkynyloxiranes to furans. Acetals and spiroketals were synthetized by dihydroalkoxylation of alkynediols under catalysis with silver-zeolites. As a perspective, we highlighted the potential applications of such green procedures in the total synthesis of more complex molecules. The first results suggested that these environmental friendly processes should gain increasing interest in the future.

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