Ce travail de thèse est consacré à la réalisation et à la prédiction des données d’adsorption physique sous pression sur différents adsorbants carbonés poreux comme les charbons actifs ou les tamis moléculaires carbonés. Le choix de ces adsorbants tient compte de la nécessité de disposer d’échantilons microporeux suffisamment différenciés. Ce travail a été réalisé dans le but d’apporter une contribution à la compréhension des mécanismes d’adsorption en corps pur et en mélanges dans des conditions hautement non- idéales et pour des matériaux hétérogènes en prenant essentiellement en compte les paramètres de la texture poreuse et les paramètres del’adsorbat en phase gazeuse et en phase adsorbée. Cette démarche nous permet en suite d’étudier le degré del’hétérogénéité structurale des adsorbants carbonés. Un appareillage volumétrique en mode statique a été mis au point dans le but de collecter des mesuresd’adsorptionencorps purs. Une étude rigoureuse des incertitudes sur cet appareillage a permis la quantification des erreurs sur chaque paramètre expérimental afin d’estimer l’erreur totale sur la masse adsorbée. Une étude comparative avec un autre appareillage gravimétrique en mode statique a permis de mettre en évidence les performances de nos outils de mesure dans ce travail. Les isothermes d’adsorption de l’azote,de l’argon, du méthane et del’oxygène à haute pression ont été obtenues sur cinq différents adsorbants carbonés. Les isothermes ont été collectées à différentes températures permettant la détermination des chaleurs isostériques par application de l’équationde Clausius-Clapeyron. Les résultats obtenus sont en parfait accord avec les résultats de caractérisation. Nous avons ensuite proposé de confronterl’ensemble de ces mesures à notre modèle de thermodynamique statistique basé sur la notion d’équation intégrale d’adsorption. Nous avons proposé d’étudier l’influence du choix du potentiel d’énergie d’adsorption sur les performances du modèle en corps pur. Cette confrontation expérience théorie a permis d’extraire les paramètres de la fonction de distribution du volume des pores de chaque adsorbant ainsi que les paramètres relatifs au comportement de l’adsorbat en phase adsorbée. Nous proposons l’extension directe du modèle à l’étude des équilibres en mélanges sans détermination de paramètre supplémentaire. Enfin des mesures en mélanges binaires sur un appareillage en mode statique, couplant volumétrie et chromatographie, ont été réalisées pour étudier les performances de notre modèle. Nous proposons par analogie à l’étude des corps purs une analyse rigoureuse des incertitudes sur cet appareillage. L’ensemble de ce travaila permis de mettre en évidence les performances de notre modèle basé sur les caractéristiques structurales des adsorbants pour étudier les équilibres en corps purs et en mélanges, et cela dans de larges gammes de conditions non-idéales qui sont les conditions requises dans la plupart des applications industrielles (procèdes de séparation (PSA), stockage en phase adsorbée à haute pre sion du gaz naturel et de l’hydrogène,etc

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

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

Les Membranes à Matrices Mixtes (MMM’s) sont des matériaux prometteurs pour la capture de CO2 en comparaison aux technologies actuelles telles que l’absorption par solvants aminés (monoéthanolamine). Les ‘Metal-Organic Frameworks’ (MOFs) sont des matériaux poreux cristallins envisagés pour être intégrés sous forme de nanoparticules aux polymères des MMM’s. Ils résultent de la combinaison de nœuds métalliques et de ligands organiques pour former des structures tridimensionnelle (3D) organisées. Ils possèdent divers avantages : des aires spécifiques et des volumes poreux élevés, des tailles de pores contrôlables, et pour certains une stabilité à l’eau. Les MOFs ont une chimie adaptable aux applications souhaitées contrairement aux adsorbants classiques tels que les charbons actifs, les zéolithes.D’une part, ce travail a eu pour objectif l’évaluation des performances de séparation du CO2 par des MOFs microporeux en vue des séparations CO2/N2 et CO2/CH4. Les interactions ‘gaz-adsorbant’ sont favorisées au sein des MOFs par : (1) une réduction de la taille de pores et du volume poreux pouvant engendrer des effets de confinements, de tamis moléculaire ou (2) par la présence de groupements de surface. En conséquence, ces paramètres peuvent contribuer à l’amélioration de la sélectivité du CO2 et ont été étudiés pour divers systèmes de MOFs microporeux. D’autre part, les paramètres texturaux (aire spécifique, volume poreux) et thermodynamiques (enthalpies d’adsorption) ont été corrélés aux quantités maximales de CO2 adsorbées au travers d’une approche quantitative de relation de structure-propriété pour établir des tendances linéaires. / Mixte Matrix Membranes (MMM’s) are promising materials for CO2 capture compared to current technologies as absorption using amines solvents (monoéthanolamine). Metal-Organic Frameworks (MOFs) are crystalline porous materials which can be integrate under nanoparticles shape to polymer phase of MMM’s. They are built from metal nods and organic ligand to yield well-defined tridimensional structure (3D). They possess various advantages: high specific surface area and pore volume, tunable pore size and some of them are stable in presence of water. MOFs have a sustainable chemistry to targeted applications unlike traditional adsorbents as activated carbons, zeolites.On the one hand, this work aimed the assessment of CO2 separation performances of microporous MOFs for CO2/N2 and CO2/CH4 gas separations. The ‘gas-adsorbent’ interactions are favored in MOFs by: (1) a decrease of pore size, pore volume which can involve confinement effects, molecular sieve effects or (2) the presence of surface groups. Therefore, these factors can contribute to the CO2 selectivity improvement and have been studied for various microporous MOFs. On the other hand, textural (specific surface area, pore volume) and thermodynamic (adsorption enthalpy) parameters have been correlated to CO2 maximum excess uptakes through a quantitative structure-property approach to establish some linear trends.

La conception de nouveaux matériaux fonctionnels a une longue histoire. Durant les deux dernières décennies, le domaine des polymères organiques et inorganiques a attiré l'attention des chercheurs. Plus important encore, les matériaux poreux tels que les Metal Organic Frameworks (MOFs), en anglais, Covalent Organic Frameworks (COFs), en anglais, ainsi que des polymères de coordination poreux sont maintenant étudiés de manière intensive en raison de leurs applications potentielles, comprenant le stockage de gaz, la séparation de gaz, la catalyse et la détection. D'un autre côté, les polymères contenant du Pt ont montré l'application potentielle dans les cellules solaires et les diodes électroluminescentes. Le mémoire est divisé en trois sections principales présentant des résultats nouveaux. Dans la première section, le chapitre 2 traite essentiellement de la formation de polymères de coordination (CP) avec des sels CuX (X = Cl, Br, I) et trans-[p-MeSC6H4C≡C-Pt(PMe3)2-C≡CC6H4SMe] (L1), soit dans le PrCN ou PhCN. Les polymères résultants sont soit 2D (bidimensionel) ou 1D (unidimensionel). Cependant, en presence de PrCN ou de PhCN, le CP 2D obtenu avec le CuBr n'a pas incorporé de solvant dans ses espaces vides. D'autre part, le CP 2D et le reste des CP 1D obtenus avaient soit des molécules de solvant de cristallisation dans leurs cavités ou coordonnés au cuivre sur la chaîne. Les unités cuivre-halogénures étaient soit des rhomboïdes Cu2X2 ou le cubane Cu4I4. Leurs mesures photophysiques en présence et en l'absence de molécules de solvant de cristallisation ont été effectuées. En outre, la porosité du CP a été évaluée par BET (N2 à 77 K). Le vapochromisme du CP 2D sans solvant et des CP 1D ont été étudiés, ainsi que les mesures de sorption du CO2 ont été effectuées. De plus, nous avons utilisé CuCN et L1 dans MeCN pour former de nouveaux CP’s. Ceci est rapporté dans la deuxième section, le chapitre 3. Le CP obtenu était inattendu : L1 s’est rompu et du cyanure CN‾ s’est coordonné sur le Pt. Ceci a conduit à la formation d’un CP 1D zigzag. Généralement, les CP sont formés avec L1 via des liens Cu-S ou/et Cu([éta]2-C≡C), mais pas dans le cas du CuCN qui lui forme une chaîne 1D (CuCN)n où le L1 rompu se lie avec cette chaîne via un lien Cu-N. Les propriétés photophysiques et de stabilité thermique ont été étudiées. La troisième section (Chapitre 4) traite d'une exploration des CP formés par la reaction des sels CuX (X = Cl, Br, I) et le trans-[p-MeSC6H4C≡C-Pt(PMe3)2-C≡CC6H4SMe] (L1) ou le trans-[p-MeSC6H4C≡C-Pt(PEt3)2-C≡CC6H4SMe] (L2) dans du MeCN afin de trouver des tendances. L'utilisation de L1 a donné lieu à un CP 2D ou 1D CPs avec le MeCN piégé à l'intérieur des cavités, il y a de l’espace vide. L2 a conduit uniquement à des CP 1D sans molecules de solvant de cristallisation. Des analyses thermogravimétriques, photophysique et des mesures d’adsorption de gaz (uniquement pour ceux avec du solvant) ont été étudiées. / Abstract: The design of new functional materials has a long history. For the past two decades, the field of organic and inorganic polymers has attracted attention of researchers. More importantly, porous materials such as Metal Organic Frameworks (MOFs), Covalent Organic Frameworks (COFs) as well as porous coordination polymers are now being intensively studied due to their potential applications including gas storage, gas separations, catalyst and sensing. On another hand, Pt-containing polymers have shown potential applications in solar cells and light emitting diodes. The masters’ thesis is mainly divided into three main sections presenting new results. In the first section; Chapter 2 mainly discusses the formation of coordination polymers with CuX salts (X= Cl, Br, I) and trans-[p-MeSC6H4C≡C-Pt(PMe3)2-C≡CC6H4SMe] (L1), in either PrCN or PhCN. The resulting polymers obtained were 2D (bidimensional) CPs or 1D (unidimensional) CPs in all cases. However, 2D CPs obtained when CuBr salt is used by either using PrCN or PhCN did not incorporate the solvents in their cavities. On the other hand, the 2D CP and the rest of 1D CPs obtained had either the crystallization molecules in the cavities or coordinated to the copper cluster. The copper-halide clusters were either the rhomboids Cu2X2 fragments or the step cubane Cu4I4. The photophysical measurements in the presence and absence of solvent crystallization molecules were performed. In addition, the porosity of the CPs was evaluated by adsorption isotherms. The vapochromism of the solvent-free 2D and 1D CPs were investigated as well as CO2 sorption measurements were perfomed. Furthermore, we then attempted to use CuCN and L1 in MeCN which is reported in the second section as Chapter 3. The obtained CP was unexpected as L1 broke and a cyanide (CN‾) ion coordinated to the Pt atom leading to the formation of zigzag 1D CP. The coordination bonds Cu-S or/and Cu([eta]2-C≡C) were generally observed with L1, but not in the CuCN case. Instead a 1D chain of (CuCN)n was made and the broken L1 now binds the chain via a Cu-N bond. The photophysical and thermal stability properties were studied. Lastly, the third section, Chapter 4 deals with a potential predictability of CP formation by using CuX salts (X= Cl, Br, I) and either trans-[p-MeSC6H4C≡C-Pt(PMe3)2-C≡CC6H4SMe] (L1) or trans-[p-MeSC6H4C≡C-Pt(PEt3)2-C≡CC6H4SMe] (L2) in MeCN as the solvent. The use of L1 resulted in either 2D or 1D CPs with the MeCN trapped inside of the cavities while L2 resulted in 1D CPs without MeCN being present in their cavities. The thermogravimetric, photophysical as well as gas sorption measurements (only for those with crystalisation molecules) were perfomed.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de recherche des propriétés superficielles des solides divisés. Nous avons étudiés les hétérogénéités morphologiques et énergétiques superficielles des kaolinites en couplant deux approches l'adsorption d'argon basse pression et la microscopie à force atomique pour l'analyse 3D des particules. Les solides utilisés sont des phyllosilicates 1:1 : deux kaolinites de référence de la Clay Mineral Society Kga1 et Kga2, une kaolinite industrielle (High Gloss), une kaolinite de Decazeville. Après purification, les échantillons ont été échangés avec des cations monovalents Li+, Na+, K+, Cs+. La modélisation des isothermes dérivées par la méthode DIS montrent que la nature des cations influencent les phénomènes d'adsorption sur les faces basales et latérales. Sur les faces basales, des cations sont présents en très faible quantité, soit fortement associé à la surface (substitutions héterovalentes), soit physisorbés sur la surface sous forme d'espèces neutres. Sur les faces latérales, les cations échangeables sont associés aux surfaces en provoquant des points de nanorugosité. Le film d'argon adsorbé est hétérogène ou les particules d'argon s'organisent autours des microreliefs générés par les cations. De ce fait, l'estimation de la lamellarité de la kaolinite par adsorption d'argon doit être effectué en présence des cations monovalents de petite taille (Li+, Na+). Cette étude a montré que la microscopie à force atomique est une bonne méthode pour la détermination des propriétés morphologiques des minéraux dans le cas des échantillons homogènes et par analyse d'un grand nombre des particules.

Depuis de nombreuses années, les demandes technologiques en termes de capacité de stockage de l'information numérique augmentent de façon considérable et sont en partie à l'origine du développement des nanosciences : l'objectif est de stocker toujours plus d'information dans un volume toujours plus petit et le plus rapidement possible. De même, la miniaturisation d'autres composants électroniques ou photonique tels que les capteurs, les dispositifs pour l'optique constitue un domaine en pleine essor. Les composés moléculaires organiques et inorganiques sont potentiellement prometteurs dans la perspective de telles applications. En particulier, les matériaux bistables présentant une hystérésis de leurs propriétés physiques sont des matériaux de choix pour la conception de dispositifs de stockage de l'information et capteur de gaz à très petite échelle. Cependant, le dépôt sous forme de couches minces et également la fabrication de nano-objets ainsi que leur intégration sans altérer la propriété de ces systèmes constituent des étapes incontournables dans la conception de tout dispositif. Dans ce contexte, ce manuscrit présente la conception, la synthèse et la caractérisation d'une nouvelle famille de composés tridimensionnels polymériques de coordination présentant des propriétés bistables. Il s'agit de polymères de coordination à transition de spin de la famille des clathrates de Hofmann. L'étude physico-chimique de ces composés a été centrée, notamment, sur les variations des caractéristiques de la transition de spin en fonction des compositions chimiques obtenues pour différentes méthodes de synthèse mises en oeuvre. De plus, sont étudiés les changements des propriétés physiques et structurales qui se produisent lors de l'adsorption de molécules invitées dans les pores de ces polymères. D'autre part, ce travail de thèse montre une approche originale dite dépôt séquentiel ou plus largement dépôt "couche-par-couche" pour l'élaboration de couches minces et présente également la nano-structuration de ces matériaux par combinaison de techniques lithographiques et de l'assemblage séquentiel. La modification des conditions expérimentales de l'assemblage séquentiel nous a permis de maîtriser la croissance et la qualité de surface des dépôts (rugosité inférieure à quelques Angström). Ces couches minces et ces nano-objets ont été caractérisés par différentes techniques optiques (microscopie Raman, ellipsométrie, spectroscopie des plasmons de surface ...) ou encore des techniques d'imagerie (AFM, microscopie optique en champ sombre). La combinaison des résultats obtenus sur les propriétés d'adsorption de ces composés bistables et leur mise en forme en tant que systèmes micro- et nano-structurés ouvre la voie vers des perspectives sérieuses pour la réalisation de dispositifs capteurs de gaz.