Le greffage radio-induit de polymères fonctionnels, tels que le poly(acide acrylique) (PAA), la poly(4-vinyl pyridine) (P4VP) et le poly(bis[2-(methacryloyloxy)ethyl] phosphate (B2MP), dans la structure nanoporeuse de membranes en poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) à traces attaquées est ici rapporté, l’objectif étant la pré-concentration sélective des ions Pb(II), Hg(II) et U(VI) en solution dans l’eau. Les membranes en PVDF à traces attaquées sont fabriquées par irradiation aux ions lourds rapides suivie par la révélation chimique des traces. Les membranes nanoporeuses en PVDF ainsi créées sont ensuite fonctionnalisées dans la porosité grâce à la présence de radicaux résiduels à la paroi des nanopores. La spectroscopie RPE a été utilisée pour déterminer la quantité et la réactivité des radicaux piégés, notamment dans le cas d’une fonctionnalité nouvelle comme le B2MP. Il a été montré que ces radicaux, alkyles et peroxyles, étaient en quantité suffisante pour initier une polymérisation radicalaire en présence des trois monomères étudiés. Le FESEM, le FTIR et une méthode moins conventionnelle comme le potentiel Zeta ont permis la caractérisation des groupes fonctionnels. Dans le cas du greffage de la P4VP dans les nanopores, la mesure des états de charges à la surface des nanopores versus le pH a montré que le greffage était uniforme et relativement dense tout au long des canaux poreux. L’objectif de ce travail étant de développer des capteurs électrochimiques innovants pour la détection des métaux toxiques, une étude en adsorption a confirmé des capacités de sorption très efficaces des membranes à traces en PVDF greffées dont les groupes fonctionnels facilitent les réactions de coordination partant d’une interaction électrostatique pure inhérente au PAA à la complexation chélatante avec la P4VP en passant par celle du B2MP. L’effet complexant modéré du B2MP dans le cas de l’adsorption de l’U(VI) est dû à la co-existence de groupements échangeurs d’ions et chélatants dans la structure du B2MP. Pour la détection électrochimique, les membranes en PVDF nanoporeuses radio-greffées sont converties en électrodes. La pré-concentration de métaux toxiques adsorbés dans la nanoporosité permet de diminuer la limite de sensibilité de la voltammétrie à redissolution à des concentrations sub-ppb (μg/L). Les données acquises en photoluminescence résolue en temps (TRPL) et en XPS ont approfondi la compréhension du mécanisme de coordination du complexe U(VI)-B2MP. / Present work reports on radiation grafting of poly(acrylic acid) (PAA), poly(4-vinyl pyridine) (P4VP) and bis[2-(methacryloyloxy)ethyl] phosphate (B2MP) functional polymers inside nanoporous structure of track-etched poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes for selective pre-concentration of Pb(II), Hg(II) and U(VI) from aqueous solutions. Track-etched PVDF membranes were made by means of swift heavy ion (SHI) irradiation followed by ion track revealing. The resulting nanoporous PVDF membranes were then functionalized through remained radicals at the nanopore walls. EPR spectroscopy was used to examine the amount and reactivity of the trapped radicals, notably towards a novel functionality inside the etched tracks, namely B2MP. It was found that these radicals, alkyl and peroxy ones, were sufficient to initiate free-radical polymerization in presence of the three studied vinyl monomers. FESEM, FTIR and a less conventional zeta-potential measurements were utilized for examination of functional group presence. In case of P4VP grafting, the measured nanopore surface charge versus pH demonstrated uniform and relatively dense grafting all along the nanopore channels. As the objective of this work is to develop innovative electrochemical sensors for toxic metal determination in water, adsorption experiments were performed confirming that efficient uptakes of the grafted track-etched PVDF membranes are due to the presence of functional groups that facilitate coordination reactions from pure inherent to PAA electrostatic interaction to chelating complexation with P4VP and B2MP complexation in between. The moderate interaction effect in case of U(VI) adsorption by B2MP is due to the co-existence of ion-exchange and chelating groups in B2MP. For electrochemical sensoring, membranes functionalized with abovementioned chelate polymers were converted into electrodes. The pre-concentration of toxic metal adsorbed inside the nanoporosity permit to below stripping voltammetry sensitivity limits to sub-ppb (μg/L) level. Time-resolved photoluminescence (TRPL) measurements accompanied with XPS were performed on uranyl adsorbed B2MP-g-PVDF membranes in order to understand deeper the U(VI)-B2MP coordination mechanism.

Ce travail a concerné l'étude de la fonctionnalisation métallique et du contrôle morphologique de nanoparticules de silice mésoporeuse appelées MSN. La voie de fonctionnalisation par synthèse directe a été privilégiée et a consisté en une encapsulation des précurseurs métalliques dans la phase porogène. L'insertion de cuivre, palladium, platine, argent or et de bimétalliques Cu/Pd et Pd/Pt a été réalisée. Il résulte de cette approche une localisation des nanoparticules métalliques dans les pores et d'une grande accessibilité des fonctionnalités à l'origine des excellentes performances catalytiques mesurées. Ces performances et le recyclage du catalyseur Cu@MSN ont été démontrés pour des réactions de Huisgen et de Sonogashira. Il a également été étudié l'adsorption de l'iode moléculaire en phase gaz sur des MSN fonctionnalisées par des nanoparticules d'argent avec d'excellentes capacités de rétention. / The objective of this thesis was to develop efficient synthesis routes to prepare mesoporous silica-based nano-sized particles, designated as MSN, with controllable morphology and derivatised with selected transition metals. One-pot preparation and surface functionalisation procedures based on the insertion of the metal-phase precursor into the porogen aggregates were thoroughly optimised leading to silica particles containing such single metals as copper, palladium, platinum, silver or gold, as well as a two-metal phase of copper and palladium or that of palladium and platinum. It was demonstrated that the highly dispersed metal phase was localised on the pore surface and therefore it was readily accessible to the target chemicals on which to base the catalytic performance of the resulting materials. Among others, the remarkable catalytic performance of the Cu@MSN material in Huisgen and Sonogashira reactions and its propensity to undergo efficient recycling were proven through laboratory-scale testing. Experimental study of the selective adsorption of iodine vapour onto MSN supports functionalised with silver nanoparticles indicated an excellent retention capacity of such materials.

Maîtrise internationale bi-diplômante conjointe avec l'Université Toulouse III - Paul Sabatier et l'Université de Montréal, Maîtrise en co-tutelle / Le traitement de différents polymères issus de sources renouvelables est, depuis relativement récemment, un domaine de très fort intérêt dans les communautés scientifiques. Ce travail aborde le traitement de mousses de microfibrille de cellulose, issues de biomasses forestières, dans des décharges à barrière diélectrique dans l’hélium à la pression atmosphérique. Lorsque la mousse occupe l’entièreté de l’espace inter-électrodes, nous avons montré que la décharge s’amorce et se propage à travers la mousse. L’effet de dégazer la mousse avant le traitement par plasma s’avère aussi bénéfique à la production de décharge de type « homogène ». En effet, en situation dégazée, la décharge à 60 kHz révèle une caractéristique « homogène » tandis qu’à 10 kHz elle devient filamentaire. Toutefois, nettement moins de dommage sont observés sur la mousse sujette à une décharge à 10 kHz par rapport à celle à 60 kHz. En situations non dégazées, le relâchement d’espèces issues de l’air ambiant lors de l’enclenchement de la décharge augmente considérablement la puissance injectée et dissipée dans le plasma, générant plus de dommage qu’en conditions dégazées. Ces connaissances ont ensuite été appliquées à la modification des mousses à l’aide d’un précurseur d’hexaméthyldisiloxane pour ajuster leurs mouillabilités à l’eau et à l’huile. Lorsque la mousse occupait tout l’espace inter-électrodes, le régime de décharge filamentaire produit des dépôts très inhomogènes, bien souvent localisés au voisinage des régions endommagées. Au contraire, lorsque la mousse n’occupe qu’une partie du volume inter-électrodes, une décharge homogène a été observée, induisant une défibrillation des fibres cellulosiques. Ces conditions mènent néanmoins à des surfaces hydrophobes sur les surfaces supérieure et inférieure des mousses, tout en maintenant leur caractéristique oléophile. Ces travaux semblent donc prometteurs pour la séparation efficace d’huile des eaux usées à partir de matériaux verts, biodégradables, et renouvelables. / The treatment of different polymers issued from renewable sources has recently become of high interest in today’s scientific community. This work focused on the treatment of microfibrillated cellulosic foams, issued from wood biomass, in an atmospheric pressure dielectric barrier discharge in helium. When foams occupied all of gas gap volume, we demonstrated that the discharge ignites and propagates through the foams. The act of outgassing before plasma treatment has also been shown to be highly beneficial to the production of homogeneous glow-like discharges. Indeed, it was found that, in outgassed conditions, discharges occurring at a frequency of 60 kHz were glow-like, while those at 10 kHz were filamentary. However, significantly less damage was observed on the foams subjected to a 10 kHz discharge as opposed to those subjected to a 60 kHz discharge. In non-outgassed situations, we have also shown that the release of oxidising species originating from ambient air upon plasma ignition considerably increased injected and dissipated power in the plasma, in turn producing more damage than in outgassed conditions. This knowledge was then applied to the modification of these foams using a hexamethyldisiloxane precursor for plasma deposition to adjust their wettability to water and to oil. When foams occupied all of gas gap volume, the discharge regime was filamentary, and produced inhomogeneous coating, often very localised around damaged regions. When foams took up only a portion of gas gap volume, a homogeneous glow-like discharge was observed, inducing defibrillation of the cellulosic fibers. These conditions produced hydrophobicity on both the top and bottom surfaces of the foams, all while maintaining the foam’s characteristic oleophilicity. This supports the idea of selective adsorption of oily wastewater using a green, biodegradable, and renewable cellulosic product.