Le dépôt de ZnO sur diamant est actuellement assuré par des méthodes physiques (ALD, sputtering, CVD) coûteuses et complexes à mettre en oeuvre. La réalisation de ces dépôts de ZnO peut également être effectuée via des procédés plus doux tels que le procédé électrochimique qui représente une alternative intéressante car peu coûteux, et facile à mettre en oeuvre. L’électrodépôt de ZnO a été très largement étudié sur divers substrats, notamment pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. Toutefois, seule une étude a été réalisée concernant l’électrodépôt de ZnO sur diamant alors que de nombreuses applications découlent de telles structures : dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW), photo-détecteurs UV ou bien biocapteurs. L’objectif de la thèse réside ainsi dans l’étude de l’électrodépôt de ZnO sur substrat diamant dopé bore en se basant sur le procédé mis en évidence par le groupe de Lincot dans les années 1990. Cette technique consiste à réduire, en présence d’ions Zn2+, l’oxygène dissous pour former des hydroxydes et a fortiori ZnO par réaction des hydroxydes et des ions Zn2+.Le diamant étant un substrat complexe en raison notamment de son grand gap (5,4 eV), un important dopage est nécessaire pour pouvoir l’étudier dans le domaine de l’électrochimie. Dans un premier temps, les conditions d’électrodépôt de ZnO sur diamant (température, potentiel électrique) ont été déterminées avant d’envisager l’étude de l’influence de divers paramètres expérimentaux. Par la suite, l’influence de la composition du bain a été étudiée puisque les concentrations et la nature des précurseurs de zinc et de l’électrolyte support ont été étudiées, permettant de former toute une variété de structures de ZnO sur diamant. Enfin, la dernière partie de la thèse s’est focalisé sur l’influence de la chimie de surface du diamant sur la morphologie, la structure et l’adhérence des dépôts de ZnO formés. L’état de surface initialement hydrogéné du diamant a été modifié en utilisant des traitements électrochimiques conduisant à la formation de groupements oxydés. / Currently, ZnO deposition on diamond is obtained by physicals methods (ALD, sputtering, CVD) which are expensive and difficult to implement. The realization of these ZnO deposits can also be made by softer methods such as electrodeposition which represents an interesting alternative because of its low cost. ZnO electrodeposition has been already studied on several substrates especially for photovoltaic devices. However, only one study has been realized concerning ZnO electrodeposition on diamond while many applications derived from these structures: surface acoustic wave sensors, UV photodetectors, and biosensors. The aim of this work is the study of ZnO electrodeposition on boron doped diamond by following the process highlighted by Lincot et al in 1990s. This process is based on the oxygen reduction reaction leading to the formation of hydroxides which react with Zn2+ cations to form ZnO. Diamond is a complex substrate which presents a large gap of 5.4 eV requiring an important doping to allow its use in electrochemistry. At first, ZnO electrodeposition conditions (temperature, electrical potential) have been determined. The influence of deposition bath has then been studied by varying nature and concentrations on zinc precursor and electrolyte support. Results indicate the possibility to obtain different ZnO/diamond structures by varying theses parameters. Finally, the influence of the surface termination of diamond on ZnO structures, shape and adherence has been investigated by modifying the H-terminated surface on O-terminated surface by using electrochemical treatments.

Le nitrure de bore hexagonal (hBN) est un semi-conducteur à grand gap (>6 eV) appartenant à la nouvelle famille des cristaux 2D. Ses propriétés isolantes et sa structure cristalline font de lui un matériau stratégique dans la réalisation d’hétérostructures 2D à base de graphène. L’objectif de cette thèse a été d’étudier les propriétés optiques et structurales des feuillets de hBN.Après une description des méthodes expérimentales, les propriétés du matériau massif - loin des interfaces - sont étudiées sur le cristal de référence synthétisé par croissance haute-pression haute-température au Japon. L’étude en microscopie électronique à transmission a permis d’identifier l’empilement AA’, caractéristique du hBN. Les 3 principales régions d’émission de luminescence du hBN sont identifiées et analysées dans le détail : excitons libres, excitons piégés et défauts profonds. L’efficacité radiative excitonique a été analysée sur des cristaux issus de différentes voies de synthèse mettant en évidence des qualités dispersées. L’origine des processus de luminescence est discutée en regard des différentes interprétations actuelles, théoriques et expérimentales.Le cœur de la thèse porte sur les propriétés des cristaux 2D de faibles épaisseurs obtenus par clivage mécanique, ceci jusqu’à la monocouche atomique. Les expériences réalisées en spectroscopie Raman basse fréquence, en spectroscopie de pertes d’énergie et en cathodoluminescence ont mis en évidence une série d’effets de basse dimensionnalité sur les propriétés vibrationnelles, diélectriques et excitoniques du hBN. L’étude des défauts introduits lors de l’étape d’exfoliation et leur impact sur les émissions de luminescence ont permis d’isoler les propriétés intrinsèques des cristaux 2D de hBN. Les premiers résultats obtenus sur des feuillets suspendus dans le vide sont présentés et les effets de déformation élastique et plastique sur la luminescence de hBN discutés.La dernière partie de cette thèse porte sur des cristaux de nitrure de bore rhomboédrique (rBN) où les feuillets atomiques forment un empilement ABC. Ces cristaux ont permis d’aborder l’effet de l’empilement des plans atomiques sur la luminescence du BN en hybridation sp². / Hexagonal boron nitride (hBN) is a wide bandgap semi-conductor (>6 eV) which belongs to the 2D crystals family. Its structure and insulating properties make him as a strategic component towards the conception of graphene-based 2D heterostructures. This thesis focuses on the structural and optical properties of hBN layers.After a brief description of experimental methods, bulk material properties have been investigated on the reference HPHT-grown crystal fabricated in Japan. The characteristic stacking AA’ sequence of the hexagonal BN phase has been identified by transmission electron microscopy. Characteristics features of the 3 main luminescence regions have been identified and analyzed into details: free excitons, bound excitons and deep defects. The radiative efficiency of excitons recombinations in hBN has been studied on crystals obtained through various synthesis routes. The origin of hBN luminescence processes is discussed on the basis of current theoretical and experimental interpretations.The main part of the thesis is dedicated to the study of nanometer-thick hBN crystals obtained by mechanical cleavage, down to the monolayer. Experiments carried out by low-frequency Raman spectroscopy, energy loss spectroscopy and cathodoluminescence demonstrated a series of low-dimensionality effects on the vibrational, dielectric and excitonic properties of hBN. Defects introduced during the exfoliation step have been studied, their impact on luminescence emissions allowed us to isolate the intrinsic properties of 2D hBN flakes. Preliminary results obtained on hBN layers suspended in vacuum are presented and the effects of elastic and plastic deformation on BN luminescence are discussed.The last part of the work focuses on rhombohedral boron nitride (rBN) crystals where the BN stacking sequence follows the ABC type. Studying these crystals made possible the investigation of the influence of the stacking sequence on sp² BN luminescence.

D. Tech. (Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering and Technology), Vaal University of Technology. / The purpose of this study was to develop analytical and numerical solutions to be used in the design of thick walled high pressure vessels for optimal location of a cross bore. In addition, the effects of internally applied combined thermo-mechanical loading on Stress Concentration Factor (SCF) on these vessels, was also evaluated. An analytical solution, to predict principal stresses on radial circular cross bore, was developed. The developed analytical solution was verified using finite element analysis methods. An optimisation process, using finite element analysis, was further done to determine the optimal combination of the major cross bore geometry that affect stress concentration. The cross bore geometries that were studied included the size, shape, location, obliquity and thickness ratio. The geometrically optimised cross bore was then subjected to combined thermo-mechanical loading to determine the resulting stress concentration effects. A total of 169 finite element part models were created and analysed. Seven thick walled cylinders having either circular or elliptical shaped cross bore positioned at radial, offset or and inclined were investigated. The analytical solution developed correctly predicted all the radial stresses at the intersection of the cross bore and main bore. However, out of 35 studied models, this analytical solution predicted the magnitude of hoop stresses in 9 models and that of axial stresses in 15 models correctly. The lowest SCF given by the radial circular cross bore was 2.84. Whereas, the SCF due to offsetting of the same cross bore size reduced to 2.31. Radial elliptical shaped cross bore gave the overall lowest SCF at 1.73. In contrast, offsetting of the same elliptical shaped cross bore resulted in tremendous increase in SCF magnitude exceeding 1.971. Additionally, the magnitudes of SCF were observed to increase whenever the circular offset cross bores were inclined along the RZ axis of the cylinder. The hoop stress due to internally applied combined thermo-mechanical loading increased gradually with increase in temperature until it reached a maximum value after which it began to fall sharply. In contrast, the corresponding SCF reduced gradually with increase in temperature until it reached a uniform steady state. After which, any further increase in temperature had insignificant change in stress concentration factor. The optimal SCF magnitude due to combined thermo-mechanical loading was 1.43. This SCF magnitude was slightly lower than that due to the pressure load acting alone.

The Coastal Plain in the southern Chesapeake Bay area is becoming increasingly susceptible to nuisance flooding as a result of the combination of sea-level rise and land subsidence associated with aquifer compaction from excessive groundwater pumping. Detailed time-series of cumulative compaction data (land subsidence) from the three U.S. Geological Survey deployed extensometers in the regions, along with cyclical piezometer data, reflect the nature of the complex multi-aquifer/aquitard system in the Coastal Plain. Franklin, Virginia and Suffolk, Virginia extensometers were deactivated in 1995 and were reactivated in 2016 along with the addition of a high-sensitivity borehole extensometer in Nansemond, Virginia in collaboration with the Hampton Roads Sanitation District as a part of the Sustainable Water Initiative for Tomorrow (SWIFT). Yearly compaction rates estimated from the reactivated extensometers are -3.3 mm/year, 15.6 mm/year, and -20.7 mm/year in Franklin, Suffolk, and Nansemond, Virginia respectively. One-dimensional vertical compaction modeling is utilized to estimate the total compaction and differentiate which fine-grained confining units or aquifer interbeds are contributing most to total compaction historically and presently. Additionally, properties of the system can be estimated including the elastic specific storage of the aquitards and aquifers and the inelastic storage of the aquitards. The total cumulative change in aquifer system thickness estimated by the MODFLOW subsidence package can be compared to the observed total cumulative change in aquifer system thickness at each site for validation of hypothesis about the dynamics of the aquifer system to known changes in stress. Subsidence rates and aquifer/aquitard properties can be useful for managing and modeling the groundwater in the Coastal Plain of Virginia. / Master of Science / The Coastal Plain in the southern Chesapeake Bay area is becoming increasingly susceptible to flooding at high tides in low lying areas as a result of the combination of sea-level rise and sinking of the land surface (land subsidence) associated with aquifer compaction from excessive groundwater pumping from buried aquifers. Detailed time-series of land subsidence data from the three U.S. Geological Survey deployed extensometers in the region, along with water level data from nearby wells, reflect the nature of the complex multi-aquifer/aquitard system in the Coastal Plain. Franklin, Virginia and Suffolk, Virginia extensometers were deactivated in 1995 and were reactivated in 2016 along with the addition of a high-sensitivity borehole extensometer in Nansemond, Virginia in collaboration with the Hampton Roads Sanitation District as a part of the Sustainable Water Initiative for Tomorrow (SWIFT). Yearly land subsidence rates estimated from the reactivated extensometers are -3.3 mm/year, 15.6 mm/year, and -20.7 mm/year in Franklin, Suffolk, and Nansemond, Virginia respectively. One-dimensional vertical compaction modeling is utilized to estimate the total sinking of the land surface as well as to differentiate which fine-grained confining units or aquifer interbeds are contributing most to total subsidence historically and presently. Additionally, properties of the system can be estimated including the elastic specific storage of the aquitards and aquifers and the inelastic storage of the aquitards. The total cumulative change in aquifer system thickness estimated by the MODFLOW subsidence package can be compared to the observed total cumulative change in aquifer system thickness at each site for validation of hypothesis about the dynamic changes of the aquifer system with known changes in stress. Subsidence rates, understanding the dynamics of the aquifer system, and aquifer/aquitard properties can be useful for managing groundwater and modeling the aquifer system in the Coastal Plain of Virginia.

Jusqu’à l’aube du 21e siècle, les lanthanides étaient considérés comme les métaux les plus difficiles à travailler et à manipuler. En effet, en raison de leur chimie de coordination imprévisible, la caractérisation des complexes de lanthanides représente un défi de taille pour les chimistes expérimentaux. Cependant, les dernières décennies ont vu une évolution considérable de la chimie organométallique de ces éléments du groupe f. Les orbitales-f non-perturbées contenant plusieurs éléctrons non-appariés dans certains lanthanides les ont rendu indispensables dans des applications modernes tels la catalyse, les diodes électroluminescents organiques, les luminophores, les agents de contraste en IRM et les matériaux magnétiques. La coordination de composés déficients en électrons aux lanthanides est considérée difficile en raison de l’électrophilcité de ces éléments. Malgré tout, les uniques propriétés magnétiques et optiques des lanthanides rendent importante l’étude de leurs complexes avec divers ligands, en particulier avec ceux qui possèdent un caractère acide de Lewis. Nous avons décidé de nous intéresser à ce défi en concevant des ligands hétéroaromatiques de bore capables de satisfaire les exigences électroniques et stériques des lanthanides. En plus de réaliser la coordination de ces ligands déficients en électrons à des lanthanides, nous avions pour but d’étudier leur effet sur les propriétés magnétiques de ces métaux. Premièrement, nous avons préparé un complexe monoanionique de boratabenzène et avons étudié sa coordination avec plusieurs ions de lanthanides. Un complexe inédit de tris(boratabenzène)lanthane a été isolé et caractérisé. Les composés diboratabenzènes de lanthanides, cependant, se sont révélés être difficiles à isoler. C’est pourquoi, nous avons synthétisé le 1-mesityl-4-iPr-boratabenzene comme ligand encombré stériquement. Ce dernier a révélé une réactivité riche avec l’eau et différentes bases. Nous avons aussi synthétisé une famille de diboraanthracènes dianioniques, dans le but de former des complexes « sandwich » et « triple-decker » de lanthanides. Une chimie intéressante a été observée pour ces ligands, alors que nous les avons coordonnés à plusieurs lanthanides. Un complexe « triple-decker » inverse de lanthane a été obtenu et étudié. Finalement, nous avons investigué la conception de ligands pour l’extraction sélective des lanthanides à partir de leurs minerais. Ce procédé coûteux et difficile nécessite une connaissance approfondie de la chimie de coordination des lanthanides. À cause de leur charge et de leur taille similaire, la séparation des différents lanthanides est un défi de taille. Pour cette raison, nous avons préparé des ligands polydentates qui agissent comme des donneurs « durs » d’électrons afin de lier les lanthanides. En variant l’angle de chélation, une certaine sélectivité peut être obtenue. De plus, en immobilisant ces ligands sur des supports solides, leur sélectivité et durabilité peut être améliorée pour donner une solution simple et « verte » au problème de l’extraction des lanthanides. / Until the beginning of 21st century, lanthanides were considered to be the most difficult metals of the periodic table to work with. Due to the unpredictable coordination behavior of the lanthanide complexes, it was challenging for the chemists to know the exact nature of the complexes formed. However, the last decade has witnessed tremendous growth in the organometallic chemistry of these f-elements. Their unperturbed f-orbitals with large number of unpaired electrons have made them indispensable components in many modern day applications like catalysis, OLEDs, luminophores, MRI agents, magnetic materials, amongst others. The coordination of electron deficient compounds to lanthanides is considered to be challenging due to the electrophilicity of these elements. Nevertheless, the interesting magnetic and optical properties shown by lanthanides makes it of interest to investigate the effect various ligands containing Lewis acidic moieties in order to expand the scope of their properties. We decided to address this challenge by designing boron heterocyclic aromatic ligands for lanthanides that are able to satisfy both the electronic and steric requirements of these metals. Apart from achieving the coordination of these electron deficient boron compounds to lanthanides, we wanted to study their effect on the magnetic properties of the lanthanides. Initially, we synthesized a monoanionic boratabenzene ligand and studied its coordination to various lanthanide ions. A unique trisboratabenzene lanthanum complex was isolated and characterized. However, diboratabenzene lanthanide complexes were challenging to isolate and hence a sterically bulky 1-mesityl-4-iPr-boratabenzene ligand was synthesized for this purpose. This bulky ligand showed some interesting reactivity towards bases and water. We also synthesized several dianionic diboraanthracene ligands to isolate sandwich and triple-decker complexes of lanthanides. The interesting reactivity of these ligands to lanthanides was observed and the successful coordination of this electron deficient ligand to lanthanides was achieved. An inverse sandwich and triple-decker complexes of lanthanum were studied. We also investigated the design of ligands for the selective extraction of lanthanides from their ores. This is a challenging and expensive process where the knowledge of lanthanide coordination chemistry can highly profit. Due to their similar charge and size, it is difficult to separate individual lanthanides from their mixtures. We synthesized polydentate ethereal amides that act as hard donors and coordinate lanthanides. The selective extraction of smaller lanthanide ions was achieved by variation of bite angle of these ligands. The immobilization of the ligands on the solid support provided rigidity to the ligands and enhanced their selectivity and durability, thus providing an environmental friendly system for extraction.

L’électrolyse de l’aluminium est un processus consommateur en énergie et en ressources (matières premières, personnel qualifié, temps, etc.). De nombreux projets de recherche sont en cours à travers le monde dans le but d’améliorer l’efficacité du procédé de fabrication de l’aluminium, de diminuer les rejets toxiques de gaz (CO2, CO, CF4, C2F6…) et d’en réduire les coûts de production. Un des problèmes actuels de l’électrolyse de l’alumine est la consommation excessive des anodes en carbone. En effet, ces anodes, lorsqu’elles sont chauffées à haute température, sont attaquées par l’air ambiant entre 400 et 600 °C, et par le CO2 à 960 °C, ce qui a pour conséquence d’entraîner une surconsommation de carbone, réduisant ainsi la capacité de fabrication de l’aluminium métallique par kg de carbone consommé. Actuellement, la durée de vie moyenne d’une anode est entre 20 et 30 jours. L’objectif de ce projet est de diminuer la vitesse de réaction à l’air de l’anode. Différentes méthodes ont été élaborées afin d’obtenir une protection efficace et économique contre le phénomène d’oxydation à l’air et au CO2 réduisant ainsi la surconsommation en carbone de l’anode. L’oxyde de bore étant connu comme inhibiteur de la réaction carbone/oxygène, des essais ont été réalisés dans le but de produire un revêtement sur l’anode et ont permis de confirmer l’effet inhibiteur de l’oxyde de bore sur la réaction d’oxydation à l’air, permettant ainsi la protection des anodes de carbone. L’influence de chacun des paramètres (température, concentration, durée d’imprégnation dans la solution, etc…), ont été également étudiés. La tomographie par rayons X a démontré que l’anode est principalement attaquée sur la surface et que le revêtement d’oxyde de bore créé une barrière physique empêchant l’accès de l’oxygène à l’anode. Des études plus approfondies ont été réalisées afin de comprendre le mécanisme de protection de l’oxyde de bore avec la réaction carbone-oxygène. Selon la littérature, l’oxyde de bore et l’acide borique peuvent agir de deux façons : soit en se fixant sur la surface de l’anode en bloquant les sites actifs du carbone ou encore en créant une couche vitreuse qui sert de barrière pour l’oxygène. Une étude cinétique a été établie et confirme que le nombre de collisions entre l’oxygène et les sites de carbone diminuent en présence du bore. La technique ToF-SIMS a également démontré que le bore se trouve sous forme d’oxyde sur la surface de l’anode, mais aussi sous forme de liaison carbone bore. Il s’agit donc d’une protection physique d’une part et une protection chimique en bloquant les sites actifs du carbone par les atomes de bore. La consommation de l’anode en carbone dans la cuve d’électrolyse est contrôlée par les impuretés, par le niveau de graphitisation mais également par le transport de masse à travers sa structure poreuse. La protection des particules de coke avec de l’oxyde de bore pourrait avoir un impact physique sur la porosité et la distribution de celle-ci. Des particules de coke (allant de 4 000 μm à 4 760 μm de diamètre) ont été imprégnées par de l’oxyde de bore afin de révéler la sélectivité des porosités. Les surfaces et les volumes spécifiques différentiels de ces trois tailles de particules gazéifiées à 3 pourcentages (0, 15 et 35%) déterminés par adsorption d’argon et par infiltration de mercure ont permis d’évaluer les contributions des gazéifications sous-critiques et sur-critiques sur la gazéification totale des anodes sous air à 525 °C. La détermination de la taille critique des pores (TC) pour le coke traité et non-traité et la mesure des contributions sous-critique et sur-critique ont permis de révéler que les pores ayant une taille supérieure à cette taille critique jouerait un rôle prépondérant dans la réactivité à l’air du coke. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de protection des anodes par l’oxyde de bore a été développée. Ceci consiste à traiter les matières premières, avant la fabrication de l’anode. En utilisant une faible concentration d’oxyde de bore (de l’ordre de ppm) dans le but de limiter le niveau d’impureté dans l’aluminium produit. Les résultats montrent que la réactivité à l’air de l’anode diminue de 15%, le charbonnaille de 90% et le dégagement gazeux (CO2 et CO) de 30%. L'influence de chacun des paramètres (température, concentration, etc.) sur la protection de l’anode a également été optimisée. / Aluminum electrolysis is a process that consumes energy and resources (raw materials, qualified personnel, time, etc.). Several research projects are underway around the world to improve the efficiency of the aluminum manufacturing process, to reduce toxic gas emissions (CO2, CO, CF4, C2F6 ...) and to reduce production costs. One of the current problems of alumina electrolysis is the excessive consumption of carbon anodes. Indeed, these anodes, when they are heated at high temperatures, are attacked by ambient air between 400 and 600 °C, and by the CO2 at 960 °C which results in an over-consumption of carbon, thereby reducing the manufacturing capacity of metallic aluminum per kg of carbon consumed. Currently, the average lifetime of an anode is between 20 and 30 days. The objective of this project is to reduce the reaction rate of anode oxidation under ambient air. Different methods have been developed to obtain an effective and economical protection which would reduce the over-consumption of the carbon anode against the phenomenon of air oxidation. Since boron oxide is known as an inhibitor of carbon/oxygen reaction, several attempts have been made to make a coating on the anode, confirming the inhibitory effect of boron oxide on this reaction, thus allowing protection of the carbon anodes. The influence of each of the parameters (temperature, concentration, duration of impregnation in the solution, etc.) were studied, as well. X-ray tomography showed that the anode is mainly attacked on the surface and that the boron oxide coating creates a physical barrier preventing access of oxygen to the anode. Further studies have been carried out to understand the inhibitor mechanism of boron oxide on carbon-oxygen reaction. According to the literature, boron oxide and boric acid can act in two ways: either by fixing on the anode surface resulting in blocking the active carbon sites or by creating a vitreous layer which serves as a physical barrier to oxygen. A kinetic study has been established which confirms that the number of interactions between oxygen and carbon sites decreases in the presence of boron. ToF-SIMS has revealed that boron is present as an oxide on the anode surface and also in the form of carbon-boron bond (BC-). Therefore, this acts like a chemical protection while boron atoms block the carbon active sites, preventing oxidation. The consumption of the carbon anode in the electrolysis cells is controlled by the impurities and the graphitization level as well as the mass transport through its porous structure. The impregnation of coke particle could have an effect on the porosity and its distribution. Coke particles (from 4000 μm to 4 760 μm in diameter) was impregnated with boron oxide in order to reveal its effect on the porosity. The specific surface area and the volumes of 3 conversion rates of particles (at 0, 15 and 35%) were determined by argon adsorption and mercury infiltration in order to evaluate the contributions of subcritical gasification on the total gasification of the anodes under air at 525 °C. To determine the critical pore size (TC) for the treated and untreated coke, the measurement of internal and external contributions of pores was used. It was revealed that the pore sizes of 0.1-10 μm and larger were the most active pores for the gasification under air. In addition, the volume of only very small pores (0.0004-0.001 μm) was slightly decreased by boron impregnation. However, the contribution of the size range of these small pores to anode gasification is negligible. In this thesis, a new method for the protection of anodes by boron oxide has been developed. This involves treating the raw materials before anode is formed by using a low concentration of boron oxide (in ppm) in order to limit the level of impurities contained in the produced metal. The results performed with standard equipment showed that the air reactivity of the anode decreased by 15%, the dusting by 90% and CO2/CO loss by 30%. The electrical resistivity of the anode was not affected by boron oxide at this low level. The influence of each of the parameters (temperature, concentration, etc.) on anode protection was optimized, as well.

La catalyse est une des pierres d’assise de la chimie moderne. Elle permet de faire des transformations difficiles d’une manière efficace et sélective, rendant possible des voies de synthèse plus courtes qui permettent ainsi à l’industrie chimique des économies de temps et d’argent. Par conséquent, le développement de la catalyse est d’une grande importance. Dans les dernières décennies, la plupart des efforts ont été orientés vers l’utilisation de métaux de transition de la seconde et troisième rangée, une approche couronnée de succès. Cependant, la maturité de ce sous-domaine et les améliorations des méthodes de caractérisation et de modélisation ont encouragé les chercheurs académiques à explorer le potentiel d’autres éléments du tableau périodique pour la catalyse. Cette thèse explore la catalyse sans métal, ou comme nous aimons l’appeler, la chimie organométallique sans métal. Elle présente des avancées dans le domaine des paires de Lewis frustrées (PLFs), qui utilisent des molécules comportant des fonctions acide de Lewis et base de Lewis pour rendre possible des transformations qui ne le seraient pas en utilisant seulement l’une ou l’autre des fonctions. Le focus particulier du travail est de comprendre et d’exploiter la chimie des PLFs. Par conséquent, nous ne nous sommes pas limités à seulement une sous-classe de PLFs ni à une seule transformation chimique. Les sujets contenus dans la thèse sont diversifiés et incluent la réduction du CO2, la fonctionnalisation de liens C-H, la chimie des liens B-B, la chimie des liens B-S ainsi que des discussions plus fondamentales sur le futur de la catalyse utilisant les PLFs. / Catalysis is one of the cornerstones of modern chemistry. It allows difficult transformations to take place in an efficient and selective manner, making possible the design of shorter synthetic pathways and saving the chemical industry time and money. Thus, the improvement of catalysis is of great importance. In the past decades, most efforts have been oriented toward the use of second and third row transition metals, an approach that has been very successful. However, the maturity of that subfield and the improvement of characterization and modelization techniques have been leading academic researchers in exploring catalysis with other elements of the periodic table. This thesis explores metal-free catalysis, or as we like to call it metal-free organometallic chemistry. It presents advances in frustrated Lewis pair (FLP) chemistry, which uses molecules containing Lewis basic and Lewis acidic functions to access transformations that would not be possible using only one or the other. The focus of the work is mostly on understanding and exploiting FLP chemistry. Thus, we did not limit ourselves to some sub-class of FLP nor to only one transformation. The subjects contained in the thesis are quite diverse and include CO2 reduction, C-H bond functionalization, B-B bond chemistry, B-S bond chemistry as well as more fundamental discussions on future FLP catalysis development.

Aluminum - Silicon alloys are recognized as appropriate materials for high performance cast components used in transportation powertrain applications. A combination of excellent wear resistance, good thermal conductivity and low density make these materials good candidates for engine bore applications. It is well accepted that the tribological properties of these alloys are dictated by the presence of hard eutectic silicon particles and their distribution in the soft aluminum matrix. Three near-eutectic aluminum-silicon engine bore alloys manufactured by different processing routes such as sand casting, chill casting and spray compaction were investigated to determine the influence of solidification on evolution of microstructure of these alloys and to establish correlation of microstructure with tribological properties. The spatial distribution of the silicon particles in aluminum matrix is analyzed using various image analysis techniques and contact distribution studies. The chill cast alloy shows large columnar primary aluminum dendrites interspersed with coarse silicon particles. The sand cast and spray compacted alloys show better spatial distribution of refined silicon particles. Microstructures generated under different solidification modes are found to have varying morphologies. The crystallographic orientations of the dendritic and eutectic aluminum as well as that of the eutectic silicon were studied using electron backscatter diffraction (EBSD). The eutectic silicon nucleating in chill cast alloy is found to exhibit strong orientation relationship with the aluminum matrix. The crystallographic orientation relationship shows that the solidification modes of the eutectics in these three alloys are different, from alloy to alloy, due to their different solidification rates and due to the addition of grain refiners and modifiers. The hardness values of the aluminum matrix and silicon particles of these alloys were found using nanoindentation and micro indentation tests. Preliminary wear studies were carried out on etched and unetched test alloys in dry reciprocating sliding. The results show that of the three test alloys, the alloy in which eutectic regions nucleate heterogeneously from the primary aluminum dendrites gives the best wear resistance and the highest hardness. The very low friction coefficient recorded for the etched alloys is accounted for by the insitu formation of a thin sheet of tribofilm on the protruding silicon particles. The physical and chemical natures of this protective film are being investigated.

Nous avons étudié la famille des composés isostructuraux du bore alpha (BxC, B1202, "B12As2", "B12P2") grâce à la spectrométrie infrarouge et leurs propriétés notamment électriques et mécanique (microdureté). No us avons préparé du bore pur sous forme alpha par réduction de BBr3 par l'hydrogène, car la dissociation de BI3 donne de mauvais résultats. La meilleure valorisation industrielle de ces céramiques ne pouvant se faire que sur des échantillons massifs, nous avons comprimé à chaud du bore et du sous oxyde de bore. Nous avons comparé les modèles de frittage et les cinétiques calculées à partir des compressions, avant de développer une méthode informatique graphique originale, pouvant avoir des appliquations tant au niveau de la qualité, qu'au niveau informatique lui même. Nous avons été conduits à mettre au point des barrières de diffusion chimique qui ont fait l'objet d'un brevet. Différentes propriétés physiques du bore et des borures ont été envisagées : pour les diverses phases : métallographies, pour le bore : diffraction X, microdureté, résistivité électrique, coefficient Seebeck, diffusivité thermique, vitesse du son. pour le sous oxyde de bore : diffraction X, stabilité de la poudre, oxydation d'échantillons massifs, diffusivité thermique.

Contrairement aux nanotubes de carbone qui sont des semi-conducteurs dits " à petit gap " et dont les propriétés électroniques sont complétement contrôlées par leur géométrie, les nanotubes hétérogènes mono-parois BxCyNz suscitent un grand intérêt scientifique du fait de leurs propriétés électroniques modulables. La synthèse de tels nanotubes hétérogènes permettrait en effet de moduler ce " gap " en agissant sur leur composition chimique et non sur leur géométrie. Les nanotubes BxCyNz qui résultent de la substitution de certains atomes de carbone dans le réseau graphénique par des hétéroatomes (B et/ou N) peuvent trouver de nombreuses applications notamment dans la réalisation de matériaux photoluminescents, les dispositifs à émission de champ ou encore les nanotransistors à haute température... Ce travail porte sur la synthèse de cette nouvelle génération de nanotubes par arc électrique. Cette technique présente l'avantage de réaliser la substitution in-situ des atomes de carbone par les hétéroatomes. Elle a été menée en utilisant une approche originale basée sur la corrélation des caractéristiques du plasma (champs de température et de concentration des différentes espèces) avec la morphologie et la composition des nanostructures carbonées caractérisées par différentes techniques (HRTEM, EDX, XPS, EELS). Ces résultats permettent une meilleure compréhension des phénomènes impliqués dans la croissance des hétéronanotubes aux échelles macroscopique et microscopique, et également de la structure et de l'environnement chimique des dopants dans le réseau graphénique de nanoformes carbonées obtenues tels que des nanotubes dopés au bore et ou à l'azote, et des couches de graphènes dopées. / In opposition to carbon nanotubes which are semi-conductors with so-called "small gap" and which electronic properties are entirely determined by their geometry, single-wall heterogeneous carbon nanotubes BxCyNz yield to great scientific interest due to their tunable electronic properties. Successfully synthesising these heterogeneous nanotubes would indeed allow tuning this gap by acting on their chemical composition instead of their geometry. BxCyNz nanotubes resulting from the substitution of some carbon atoms in the graphene lattice by heteroatoms (B and/or N) could have numerous applications, in particular in photo-luminescent materials, field emission devices, or high operating temperature nano transistors... This work is dedicated to the synthesis of this new generation of nanotubes by electric arc. This technique offers the advantage to perform in-situ substitution of carbon atoms by the heteroatoms. It was carried out using an original approach based on the correlation of plasma characteristics (temperature and concentration fields of the various species) with the morphology and the composition of the carbon nanostructures characterized by various techniques (HRTEM, EDX, XPS, EELS). These results bring a better understanding of the phenomena involved in the growth of heteronanotubes in plasma conditions and also of the structure and chemical environment of the doping elements in the graphene lattice of carbon nanoforms such as boron- or nitrogen-doped nanotubes, and doped graphene layers.