Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Química / El Hidrógeno puede ser utilizado en una Batería Continuamente Alimentada para generar potencia eléctrica, y ha sido propuesto como una opción atractiva para la sustitución de combustibles fósiles, especialmente cuando es producido a partir de fuentes renovables. Entre ellas, la obtención de Hidrógeno asociada a fuentes biológicas se propone competitiva en los próximos veinte años, y en dicho conjunto, los alcoholes son considerados materias primas atractivas y sustentables. Este trabajo aborda el Reformado de Etanol y Glicerol con Vapor de Agua, procurando definir un límite teórico para el rendimiento de Hidrógeno bajo distintas condiciones de temperatura y composición, y describir los cambios que sufren las moléculas involucradas en el Reformado de alcoholes. Desde un punto de vista termodinámico, el límite para la producción de Hidrógeno a partir de estos alcoholes depende de la razón agua / alcohol y oxígeno / alcohol, de la temperatura y de la presencia de otros agentes que modifiquen el equilibrio del sistema reactivo, como adsorbentes. Existen subproductos sólidos, como depósitos carbónicos, que pueden desactivar el catalizador utilizado en el Reformado. La formación de tales depósitos es favorecida por proporciones molares agua / alcohol bajo 4,0 y diferentes condiciones térmicas: en el sistema de Reformado de Etanol, bajo 400ºC domina la presencia de grafito; y sobre esta temperatura, nanotubos de carbono. Análogo comportamiento se da en el Reformado de Glicerol, pero con una frontera en 450ºC. La adición de Hidrotalcitas como adsorbente de Dióxido de Carbono, desplaza el equilibrio hacia los productos del Reformado, favoreciendo la producción de Hidrógeno incluso cuando es agregado Oxígeno para sostener térmicamente el sistema. Con el uso de este tipo de adsorbentes, se puede lograr un rendimiento teórico máximo de 6,0 y 7,0 mol_{H_2} / mol_{alcohol}, para sistemas de Reformado de Etanol y Glicerol, respectivamente, con temperaturas entre 375 y 450ºC. En cuanto al conjunto de cambios que ocurren al interior de un sistema de Reformado, una búsqueda combinatorialmente completa de mecanismos de reacción mediante el uso de Grafos-P, a partir de un conjunto de reacciones y especies, presenta ventajas ligadas con la velocidad de construcción de tales mecanismos por parte de la comunidad científica. Los resultados de dicha búsqueda constituyen un mapa para refinar la propuesta de mecanismos de reacción. En el presente estudio, y a partir de 16 reacciones, existen alrededor de 43 millones de mecanismos combinatoriales, que son reducidos a un conjunto de 9 posibles mecanismos en el caso del Reformado de Etanol; y 12, en el caso del Reformado de Glicerol, imponiendo, en cada caso, la condición de balance estequiométrico y la existencia de intermediarios, como etileno, acetaldehído y ácido acético, este último sólo en el caso del Reformado de Glicerol. Uno de los mecanismos para el Reformado de Etanol es tomado como base para construir un modelo de un reactor de Lecho Empacado para Reformado Catalítico, que considera cambios en la conversión y la presión. Este trabajo, lejos de acabar, abre una discusión respecto al modo en que se proponen mecanismos de reacción para el Reformado de Alcoholes y establece una guía para enfrentar tal búsqueda.

Cette thèse porte sur l’optimisation en termes de microstructure et de composition des propriétés électrochimiques du composé Ca3Co4O9+δ pour une application comme cathode pour Pile à Combustible à Oxyde. En utilisant la sérigraphie comme technique de dépôt, la Résistance Surfacique Spécifique a été diminuée jusqu’à 0.5 Ωcm² à 700°C pour un matériau composé de 50% en masse d’oxyde de cérium dopé au gadolinium et Ca3Co4O9+δ. Par ailleurs, des techniques telles que le spin-coating et l’électro-spray apparaissent comme prometteuse pour l’amélioration des performances. Nous avons tenté d’étudié l’impact de la substitution partielle sur le site calcium sur les performances électrochimiques pour différents dopants (Sr, Pb, Bi, La). Du fait que les performances électrochimiques dépendent fortement de la préparation et de la faible concentration en dopant contrainte par la faible solubilité du plomb en site calcium, il n’a pas été possible de tirer des conclusions claires sur l’impact d’un tel dopage, de même pour les propriétés de transport de l’oxygène. Par contre, l’analyse par échange Isotopique Pulsé de la composition (Ca0.90Sr0.10)3Co4O9+δ a permis de confirmer les très bonnes cinétiques d’échange de l’oxygène pour les composés partiellement substitués par du strontium, montrant par ailleurs que ni l’adsorption en surface de l’oxygène ni son incorporation dans le solide sont des étapes limitantes dans le mécanisme d’échange en surface. / In this PhD thesis, the electrochemical performances of the misfit layered oxide Ca3Co4O9+δ used as a cathode for Solid Oxide Fuel Cell were tentatively optimised by optimisation of the electrode microstructure and composition. Using screen printing as a deposition technique, the Area Specific Resistance was decreased to 0.5 Ωcm2 at 700°C for a composite made of 50% in weight of cerium gadolinium doped oxide and Ca3Co4O9+δ. Spin coating and electro-spray deposition were also tested as promising technique to improve the performances. The impact of partial substitution of the calcium site on the electrochemical performances was tentatively studied with a wide range of dopant (Sr, Pb, Bi, La). It was difficult to draw conclusions since their performances depend strongly on the sample preparation. Moreover, due to the low amount of the dopant, imposed by the low solubility of lead in the calcium site, it was not possible to derive a clear tendency of the substituent’s impact on the oxygen transport properties. However, by pulse isotopic exchange, high surface exchange kinetics were confirmed for the (Ca0.90Sr0.10)3Co4O9+δ composition and it was shown that neither the oxygen adsorption of the surface nor the oxygen incorporation in the solid were the limiting step in the oxygen transfer.

El objetivo de la presente investigación es proporcionar una hoja de ruta para la distribución entre la empresa Termoencogibles del Perú S.A. y sus clientes, ya que actualmente carece de una y en consecuencia no tienen un presupuesto mensual asignado para el combustible diesel, lo cual genera sobrecostos e ineficiencia. Para lograr esta finalidad, se propone usar modelos de grafos y algoritmos así como métodos heurísticos que den como resultado una ruta de distribución óptima a nivel de Lima Metropolitana atendiendo todas las solicitudes de pedido con un manejo eficiente de la energía combustible en la fase final de la cadena de suministro de la empresa que es la distribución de sus productos a sus clientes. / The objective of the present investigation is to provide a roadmap for distribution between the company Termoencogibles del Perú S.A. And its customers, as it currently lacks one and consequently does not have a monthly budget allocated for diesel fuel, which generates overcharges and inefficiency. To achieve this aim, it is proposed to use graphical models and algorithms as well as heuristic methods that result in an optimum distribution route at Metropolitan Lima level, taking care of all ordering requests with an efficient fuel energy management in the final phase of The supply chain of the company that is the distribution of its products to its customers. / Tesis

El presente trabajo es la consecuencia de resolver un problema en el mecanismo de despacho de combuistible que existe en la empresa consorcio terminales GMP- Oiltanking, en la planta de Puerto Supe, el cual consiste en el excesivo tiempo de espera para el llenado de combustible, lo que incomoda tanto al personal de la planra como a los choferes. / Tesis

Para la elaboración de la presente tesis se ha analizado la empresa COESTI, Compañía Operadora de Estaciones de Servicio y Tiendas de conveniencia, empresa subsidiaria de Corporación Primax S.A. Dicha empresa es la encargada de operar las estaciones de servicio de propiedad o arrendadas por Corporación Primax S.A. COESTI sigue la misma cultura de trabajo de Corporación Primax S.A. Asegurando la consecución de lineamientos e imagen exigidos por la marca. Asimismo, cada Estación de Servicio es liderada por un Administrador quien reporta a un Jefe de Operaciones, quien sirve de nexo entre la Gerencia Operaciones de Coesti y las diferentes áreas de soporte de Corporación Primax. COESTI se dedica principalmente a la venta al consumidor final de combustible para vehículos automotrices y negocios aliados tales como tiendas de conveniencia, llanterías, centros de lubricación y lavado de autos. La Empresa como parte de su gestión de ventas ha asumido un gasto por pérdidas de dinero del personal que trabaja en la venta de combustible de aproximadamente S/. 800,000.00 (ochocientos mil soles al año). En ese sentido, es que analizaremos los procedimientos relacionados a la venta de combustibles, así como también levantaremos información de los colaboradores y de los líderes de la organización a fin de presentar a la Empresa una propuesta que le signifique una mejora en la gestión con una enfoque de procesos y que además promueva el compromiso, la identidad y valores en los colaboradores. Es nuestro objetivo presentarle a la Empresa una propuesta que abarque dos perspectivas: La primera implementar mejoras en los procesos vinculados a la venta de combustible y la segunda, proponer un plan que promueva valores en la organización. Para ello ha sido importante identificar y comprender la realidad de la Empresa para poder diseñar de forma adecuada, herramientas que nos permitan llegar a todos los involucrados. Así como entender y conocer a nuestro grupo de estudio, vendedores de playa. Para llevar a cabo el presente trabajo, se ha analizado la información entregada por la empresa, se han desarrollado entrevistas con los líderes de la organización y se han diseñado un cuestionario dirigido principalmente a vendedores de playa para validar la información obtenida y poder presentar nuestras propuestas. Consideramos, que este contexto es propicio para fortalecer a la empresa y crear un vínculo con sus colaboradores, pieza fundamental del negocio, pues son ellos quienes se relacionan directamente con el cliente y transmiten la mística de la compañía. La metodología utilizada ha incluido el levantamiento de información relevante de la empresa, así como de los procedimientos vinculados a la venta de combustible, entrevistas a líderes y colaboradores de la organización, lo cual nos ha permitido el análisis de la problemática encontrada, pero también de las buenas prácticas que tiene la empresa. En cuanto a los canales propuestos, uso y diseño de piezas han sido cuidadosamente seleccionadas y validadas durante toda la etapa del proyecto. El valor del presente trabajo radica en el compromiso de los supervisores de nuestro grupo objetivo para sacar adelante el plan que proponemos, así como la sencillez en su aplicación, bajo costo, innovación y puesta en práctica. Es objetivo del presente trabajo detectar los canales apropiados de comunicación para transmitir los valores institucionales, así como una identificación para el funcionamiento óptimo de la “cuenta 14”, con las herramientas correctas, de una manera efectiva y alineada a la estrategia de negocio y aportando valor a la empresa. Finalmente es importante recalcar lo estimulante que ha sido trabajar en este proyecto donde se aplicó el aprendizaje obtenido en la Maestría obteniendo como resultado una propuesta coherente y valiosa tanto para la empresa como para los integrantes del equipo. / Tesis

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Esta tesis se enfocó en el estudio del comportamiento de catalizadores soportados de base-Pt en la electrooxidación de metanol y etanol en medio ácido. Inicialmente se estudiaron partículas trimetálicas con nanoestructura tipo core-shell; para la síntesis se empleó un método de dos etapas: (i) obtención de partículas de cobre mediante reducción química, y (ii) posterior remplazo parcial de átomos de cobre por átomos de platino y rutenio. Mediante técnicas de caracterización fisicoquímica se comprobó que los catalizadores presentaron tamaño de partícula nanométrico y se dedujo que dichas partículas tenían un núcleo rico en cobre, rodeado por una corteza bimetálica PtRu rica en platino. Técnicas convencionales electroquímicas (VC y CA) mostraron que estos catalizadores presentan un comportamiento mejorado en comparación con un catalizador comercial PtRu/C. Las mejoras fueron atribuidas tanto al mecanismo bifuncional como a efectos electrónicos causados por la distorsión presente en la red cristalina del Pt. Además, se evaluó el efecto del sustrato carbonoso en el comportamiento de partículas trimetálicas con estructura pseudo core-shell. En este estudio, se emplearon negro de carbón, nanotubos de carbono y estos mismos materiales activados por tratamiento oxidativo. Por otro lado, se evaluó la posibilidad de utilizar biocarbones como soporte de las nanopartículas. Los resultados obtenidos son prometedores. Las técnicas de caracterización indicaron que la condición de los sustratos en ciertos casos favoreció la cantidad de sitios de anclaje, esto mejoró el proceso de nucleación lográndose partículas de menor tamaño, una distribución más homogénea y mejor dispersión. Por último, se sintetizaron nanopartículas de Pt y PtRu sobre una mezcla de material carbonoso y óxido metálico mediante un proceso novedoso: síntesis de polioles asistido por microondas; la radiación de microondas tiene el rol de conseguir un calentamiento rápido y homogéneo. Los óxidos estudiados fueron NiO y Mn3O4. Se comprobó que la radiación de microondas mejora notablemente la distribución de las nanopartículas sobre el material soporte y que además reduce el grado de aglomeración de las partículas sintetizadas, llevando a un mejor comportamiento electrocatalítico. Además, los ensayos electroquímicos mostraron que la incorporación de óxidos redujo el envenenamiento del catalizador por especies intermediarias posiblemente debido al aporte de grupos hidroxilados. Sin embargo, la cantidad de óxido debe ser la óptima, ya que un exceso de óxido metálico puede empeorar la conductividad eléctrica del soporte. / The performance of supported Pt–based catalysts in the electrooxidation of methanol and ethanol in acid media was investigated in this work. Firstly, trimetallic particles with core-shell type nanostructure were studied; the synthesis consisted of a two-stage process: (i) obtaining copper particles by chemical reduction, and (ii) subsequent partial replacement of copper atoms by platinum and ruthenium atoms. Physicochemical techniques revealed nanosize particle and it was deduced that such nanoparticles were composed by a Cu-rich core surrounded by a Pt-rich Pt-Ru shell. Cyclic voltammetry and chronoamperometric measurements showed that as-synthesized core-shell materials exhibit superior catalytic activity compared to a commercial PtRu/C catalyst. This behavior can be associated both the bifunctional mechanism and the electronic effects caused by the distorted Pt crystal lattice. Secondly, the influence of carbon support on the behavior of trimetallic particles with pseudo core-shell structure was analyzed. In this study, carbon black, carbon nanotubes and these materials activated by oxidative treatment were used. On the other hand, the possibility of using biochar as a support for nanoparticles was evaluated. The results obtained are promising. Characterization techniques indicated that in certain cases the amount of anchorage sites was stimulated by the substrates condition, because of that the nucleation process was improved and particles with smaller size, more homogenous distribution and better dispersion were achieved. Finally, Pt and PtRu nanoparticles were synthetized on a mix of carbonaceous material and metal oxide by an attractive process: microwave-assisted polyol process; fast and homogeneous warming of the reaction medium is achieved by the microwave radiation. The metal oxides studied were NiO and Mn3O4. It was found that the microwave radiation significantly improves nanoparticles distribution on the support material and also reduces the agglomeration degree of the synthetized nanoparticles. The latter results lead to better electrocatalytic performance. Besides, the electrochemical experiments showed that the addition of oxide reduced catalyst poisoning by intermediary species probably due to the contribution of hydroxylated groups. However, the oxide content must be the optimal, since an excess of metal oxide can deteriorate the electrical conductivity of the support.

Les carburants verts et renouvelables produits par hydrodésoxygénation catalytique (HDO) des matières premières dérivées de la biomasse sont prometteur d'avoir un grand impact sur l'industrie de l'énergie. Le coeur de tout le processus catalytique est le développement de nouveaux catalyseurs à bonnes performances ce qui sont devenus la cible principale des chercheurs au cours des dernières décennies. Les principales caractéristiques catalytiques requises sont la capacité de dissociation H-H, les capacités d'adsorption et d'activation C-O et C=O qui assurent des performances de désoxygénation supérieures. Les catalyseurs à base de sulfure de métal de transition sont potentiellement intéressants pour les réactions HDO en raison de leur excellente activité dans l'hydrotraitement des carburants pétroliers. Par ailleurs, les nouveaux matériaux les plus récents, les carbures de métaux de transition ont retenu une grande attention en raison de leur forte sélectivité du clivage des liaisons C-O/C = O. Dans ce travail, nous avons développé des sulfures trimétalliques (NiMoW) et des carbures bimétalliques (MoW) non supportés pour le HDO du gaïacol, un composé modèle représentant les oligomères phénoliques dans les bio-huiles de pyrolyse, et le HDO des huiles de canola. Les deux catalyseurs ont montré leurs performances exceptionnelles en sélectivité de conversion et de désoxygénation. Nous avons également étudié la compréhension des interactions entre les métaux dans les systèmes sulfure et carbure via la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS), la désorption programmée en température de NH3 et la chimisorptiondes gaz (c.-à-d. les chimisorptions des CO et H₂). Plus précisément, dans la première partie de ce travail (Chapitre 3), les sulfures trimétalliques non supportés (NiMoW) à haute surface spécifique ont été préparés en utilisant la méthode de nanocasting. L'ajout de sulfure de W dans ce système s'est avéré augmenter la densité des sites acides qui a facilité la désoxygénation ainsi que la polymérisation des composés phénoliques. Ensuite,dans la partie suivante (Chapitre 4), nous avons développé un matériau plus avancé, le carbure bimétallique Mo-W, qui est un catalyseur vert par rapport aux sulfures métalliques car la procédure de préparation ne nécessite pas d'étape de sulfuration. Dans des conditions de réaction similaires à celles des catalyseurs sulfurés (350oC), les carbures de MoWC ont montré d’excellentes activités et sélectivités pour les hydrocarbures grâce un effet synergique entre Mo et W dans le système de carbure. Les calculs par DFT ont été impliqués dans ce travail pour clarifier les mécanismes de réaction spécifiques aux différents catalyseurs. Dans la dernière partie (Chapitre 5), nous avons tenté d'utiliser les carbures métalliques mixtes Mo-W pour l'hydrotraitement des huiles de canola pour produire des diesels verts. Les essais catalytiques montrent le rendement élevé en produits d'octadécane et d'heptadécane même s'ils sont effectués dans des conditions douces de 250°C. Cette étude s'est également concentrée sur l'approche de contrôle des phases cristallographiques des carbures métalliques en ajustant la température de cémentation, permettant de réguler la sélectivité du produit. / Green and renewable fuels produced by catalytic hydrodeoxygenation (HDO) of biomass-derived feedstocks are promising to have a great impact on the energy industry. The core in the whole catalytic process is the development of novel catalysts with high performance, which has become the major target for researchers in the last few decades. The key catalytic characteristics required are H-H dissociation ability, C-O and C=O adsorption, and activation abilities that ensure a superior deoxygenation performance.Transition metal sulfide-based catalysts have potential for the HDO reactions due to their excellent activity in the hydroprocessing of petroleum fuels. Besides, most recent novel materials, transition metal carbides have gained great attention owing to their high selectivity of C-O/C=O bonds cleavage.In this work, we have developed unsupported trimetallic (NiMoW) sulfides and bimetallic (MoW) carbides for HDO of guaiacol, a model compound representing the phenolic oligomers in pyrolysis bio-oils, and for HDO of canola oils. The two catalysts have shown outstanding performances in conversion and deoxygenation selectivity. We also investigated the insight into interactions among the metals in the sulfide and carbide systems via using X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), NH₃ temperature-programmed desorption, and gas chemisorption (i.e CO and H₂ chemisorption). More specifically, in the first part of this work (Chapter 3), the unsupported trimetallic (NiMoW) sulfides with high specific surface area were prepared by the nanocasting method. The addition of W sulfide into this system was proved to enhance the density of acidic sites, which facilitated the deoxygenation as well as the polimerization of phenolic compounds. Then, in the following part (Chapter 4), we developed a more advanced material, the bimetallic Mo-W carbide, which is a green catalyst compared to the metal sulfides because the preparation procedure does not require sulfidation step. Under the similar reaction conditions (350oC) as those of sulfide catalysts, MoWC carbides displayed excellent activity and hydrocarbons selectivity thanks to the synergistic effect between Mo and W in the carbide system. The DFT calculations were involved in this work to clarify the specific reaction mechanisms over the different catalysts. In the final part (Chapter 5), we attempted to employ the mixed metal Mo-W carbides to the hydrotreatment of canola oils to produce green diesel. The catalytic tests show high yield of octadecane and heptadecane products even if carried out under mild conditions of 250oC. This study also focused on the approach of controlling crystallographic phases of metal carbides by adjusting carburizing temperature, hence regulating the product selectivity.

L'énergie solaire est la source d'énergie la plus abondante au monde et elle peut être convertie en énergie chimique via des processus photocatalytiques. Au cours des dernières décennies, la photocatalyse sous la lumière du soleil est apparue comme une alternative innovante aux combustibles fossiles afin de résoudre et prévenir des problèmes graves liés à la crise environnementale et énergétique. Actuellement, les matériaux à base de semi-conducteurs (tels que TiO₂, C₃N₄, In₂O₃, WO₃) sont intensivement étudiés pour diverses applications photocatalytiques, y compris la réaction d’évolution d'hydrogène (HER) et la réduction de l'azote en ammoniac (NRR). Par conséquent, diverses approches telles que l'ingénierie structurelle, les hétérojonctions nanocomposites ont été étudiées afin de surmonter les problèmes de ces matériaux et ainsi augmenter l'activité catalytique. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé des nouvelles stratégies pour la synthèse des quatre types de photocatalyseurs efficaces pour la production d'hydrogène et la fixation de l'azote sous la lumière du soleil. Nos matériaux présentent une structure unique, qui favorise l'absorption de la lumière visible, la séparation des charges électrons-trous et l’augmentation du nombre de sites actifs.Pour l'application de la génération d'hydrogène photocatalytique, nous avons d'abord synthétisé les sphères de type éponge CdI₂nS₄ monophasées via une méthode solvothermique suivie d'un traitement au gaz contenant H₂S. La formation du complexe Cd/In avec une distribution uniforme de Cd²⁺ et In³⁺ a joué un rôle crucial dans la formation du spinelle monophasé CdIn₂S₄. L'énergie de la bande interdite s'est avérée être significativement réduite, ce qui permet une absorption étendue de la lumière visible jusqu'à 700 nm, ceci est principalement attribué à la dispersion d'espèce sulfure sur la bande de valence du CdIn₂S₄ monophasé. Avec le dépôt de Ni métallique comme cocatalyseur de réduction, le photocatalyseur hybride Ni-CdIn₂S₄ a montré une efficacité améliorée pour la production d'hydrogène sous la lumière solaire, ce qui représente une augmentation de l’activité d’environ, respectivement, 5,5 et 3,6 fois que celle des échantillons Pt-CdIn₂S₄ et Pd-CdIn₂S₄. Le deuxième système photocatalytique développé implique la préparation de nitrure de carbone graphitique dopé au S (Ni-SCN). Ce dernier est chimiquement ancré au nickel par une technique connue sous le nom de processus de photo-dépôt assisté par sulfuration. L'origine de la structure distinctive du Ni-SCN est dû à l'existence de liaisons chimiques NiS-C-N dans le système, ce qui favorisait la séparation des charges photogénérées et améliorait la capacité d’absorption lumineuse du photocatalyseur. Par conséquent, l’échantillon NiSCN synthétisé présente une excellente activité photocatalytique pour la production d'hydrogène sous la lumière du soleil. En effet, ce système présente une activité beaucoup plus élevée que celle des systèmes g-C₃N₄ dopés au S, Ni supporté g-C₃N₄ et Pt supporté g-C₃N₄ dopés au S. Pour une application photo (électro) catalytique de fixation de l'azote, nos travaux sont les premiers à rapporter la synthèse de nanoparticules d'Au chargées de nanoparticules W₁₈O₄₉ dopées au Fe (notées WOF-Au) par une synthèse solvothermique suivie d'un dépôt in situ des nanoparticules d'Au. L'incorporation de dopants Fe peut non seulement guérir les états de défaut de masse dans les réseaux non stœchiométriques W₁₈O₄₉, mais également favoriser la séparation et la migration interfaciale des électrons du photocatalyseur vers les molécules N₂ chimisorbées; tandis que les nanoparticules Au décorées sur la surface dopée au Fe W₁₈O₄₉ ont fourni les électrons à haute énergie pour la réduction de N₂ via l'effet de résonance plasmonique de surface localisé (LSPR). Le système WOF-Au plasmonique résultant montre un rendement amélioré pour la production de NH₃, beaucoup plus élevé que celui du W₁₈O₄₉ pur ainsi qu'une très grande stabilité. L'amélioration des performances photoélectrocatalytiques est principalement due à l'effet synergique des dopants Fe et des nanoparticules Au dans l'hôte W₁₈O₄₉. Enfin, les cacahuètes creuses de In₂O₃ dopées au Ru (dénotées Ru-In₂O₃ HPN) ont été fabriquées par la nouvelle stratégie d'auto-matrice suivie de la calcination des précurseurs synthétisés. Les nanoparticules uniformes In₂O₃ sont étroitement agglomérées ensemble pour former une structure de cacahuète creuse, ce qui facilite la séparation et le transport des l'électrons-trous photoexcités, améliorant l’absorption de la lumière par multi-réflexion. De plus, l'introduction des dopants Ru induit de nombreuses lacunes en oxygène à la surface et réduit l'énergie de la bande interdite du système photocatalytique. Ces lacunes d'oxygène agissent comme des centres de piégeage, facilitant la séparation des électrons trous photoexcités. Par conséquent, le taux de production d'ammoniac des Ru-In₂O₃ HPNs est 5,6 fois plus élevé que celui des In₂O₃ HPNs purs et largement supérieur au matériau en vrac d'In₂O₃, lorsqu’il est soumis à l’irradiation solaire. / Solar energy is the most abundant energy source in the world, and it can be converted into chemical energy via photocatalytic processes. Over the last decades, sunlight-driven photocatalysis has emerged as an innovative alternative to fossil fuels for solving the severe problems related to environmental diseases and the energy crisis. Currently, semiconductorbased materials (such as TiO₂, C₃N₄, In₂O₃, WO₃, BiVO₄) have been intensively studied for diverse photocatalytic applications, including the hydrogen evolution reaction (HER) and the nitrogen reduction reaction (NRR) to produce ammonia. However, the drawbacks of weak visible light absorption, low electron-hole separation with high recombination rate, and lack of surface active-sites have limited the photocatalytic performance of these semiconductorbased photocatalysts. Therefore, various approaches such as structural engineering, nanocomposite heterojunctions have been applied to overcome the limitations of these materials and boosting the catalytic activity. In this thesis, we employed novel strategies to develop four efficient photocatalytic systems for hydrogen production and nitrogen fixation. Our materials possessed a unique structure, which is advantageous to promote the visiblelight absorption, facilitate the separation of charge carrier, and increase the number of surface-active sites. For the photocatalytic hydrogen evolution application, we firstly synthesized the singlephase CdIn₂S₄ sponge-like spheres via solvothermal method followed by H₂S gas treatment. The formation of CdIn-complex with uniform distribution of Cd²⁺ and In³⁺ played a crucial role in achieving the spinel structured-single phase CdIn₂S₄. The bandgap energy was found to be significantly reduced, resulting in the extended visible light absorption up to 700 nm, which was primarily attributed to the sulfide species-mediated modification of the valence band in CdIn₂S₄ single-phase. With the deposition of Ni metal as a reduction cocatalyst, the hybrid Ni-CdIn₂S₄ photocatalyst showed enhanced solar light-driven photocatalytic hydrogen evolution efficiency, which is around 5.5 and 3.6 folds higher than that of Pt-CdIn₂S₄ and Pd-CdIn₂S₄ samples, respectively. The second developed photocatalytic system involved the preparation of chemically bonded nickel anchored S-doped graphitic-carbon nitride (Ni-SCN) through a technique known as sulfidation assisted photo-deposition process. The origin of the distinctive structure of Ni-SCN was due to the existence of Ni-S-C-N chemical bonds in the system, which fundamentally favored the separation of photogenerated electron-hole and improved the light-harvesting capabilities of the photocatalyst. Consequently, the synthesized Ni-SCN exhibited an excellent sunlight-driven photocatalytic activity toward hydrogen evolution, which was several times higher than Sdoped g-C₃N₄, Ni supported g-C₃N₄ and Pt loaded S-doped C₃N₄ systems. For photo(electro)catalytic nitrogen fixation application, our work is the first to report the synthesis of Au nanoparticles loaded Fe doped W₁₈O₄₉ (denoted as WOF-Au) nanorods through a solvothermal synthesis following by in situ deposition of Au nanoparticles. The incorporation of Fe dopants can not only heal the bulk-defect-states in nonstoichiometric W₁₈O₄₉ lattices but also promote the separation and interfacial migration of electrons from photocatalyst to chemisorbed N₂ molecules; while Au nanoparticles decorated on the Fe doped W₁₈O₄₉ surface provided the high energetic electrons for N₂ reduction via the localized surface plasmon resonance effect (LSPR). The obtained plasmonic WOF-Au system shows an enhanced NH₃ yield, which is much higher than that of the bare W₁₈O₄₉, as well as very high stability. The enhancement in photoelectrocatalytic performance is mainly contributed by the synergetic effect of Fe dopants and plasmonic Au nanoparticles on the W₁₈O₄₉ host. Lastly, Ru doped In₂O₃ hollow peanuts (demoted as Ru-In₂O₃ HPNs) were fabricated by the novel self-template strategy followed by the calcination of the as-synthesis precursors. The uniform In₂O₃ nanoparticles were closely packed together to form a hollow peanut structure, which facilitated the separation and transportation of photoinduced electron-hole and favored the light-harvesting ability by the internal multi-reflection process. Furthermore, the introduction of Ru dopants induced numerous surface oxygen vacancies and narrow down the bandgap energy of the photocatalytic system. These oxygen vacancies act as trapping centers, facilitating the separation of photoexcited electrons and holes. Consequently, the ammonia production rate of Ru-In₂O₃ HPNs was 5.6 times and much higher as compared to pure In₂O₃ HPNs and bulk material of In₂O₃ under solar light irradiation.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2024 / Les systèmes bioénergétiques émergents offrent des voies innovantes pour passer des produits pétroliers à des alternatives plus durables. La branche de la bioélectrochimie axée sur l'énergie a un potentiel significatif pour influencer les secteurs de l'énergie verte et de la bioénergie. Les systèmes bioélectrochimiques (BES), utilisant des composants biologiques tels que les bactéries comme biocatalyseurs, sont en cours de développement et de miniaturisation pour de nouvelles biotechnologies. Le domaine des BES évolue rapidement avec de nouvelles applications, architectures de dispositifs et méthodologies de recherche. Cette thèse présente une enquête approfondie sur les propriétés hydrodynamiques et cinétiques des BES, en se concentrant particulièrement sur les performances et le comportement des biofilms électroactifs (EAB) sous différents débits et concentrations de nutriments. Des BES microfluidiques avancés ont été utilisés pour isoler et identifier les limitations cinétiques à différents stades de croissance des biofilms, fournissant une analyse approfondie de la cinétique des enzymes dans des conditions de flux. En outre, la thèse discute du développement et de l'optimisation des piles à combustible microbiennes sans membrane microfluidique (MFC), qui ont atteint des densités de puissance record. Cette étude améliore la compréhension de l'interaction entre l'hydrodynamique, la croissance des biofilms et la cinétique électrochimique, ouvrant la voie à de futures avancées dans la conception et l'application des technologies BES. / Emerging bioenergy systems offer innovative pathways to transition from petroleum products to more sustainable alternatives. The energy-focused branch of bioelectrochemistry holds significant potential to influence green energy and bioenergy sectors. Bioelectrochemical systems (BES), utilizing biological components such as bacteria as biocatalysts, are being developed and miniaturized for new biotechnologies. The BES field is rapidly evolving with new applications, device architectures, and research methodologies. This thesis presents a comprehensive investigation into the hydrodynamic and kinetic properties of BES, with a particular focus on the performance and behavior of electroactive biofilms (EABs) under varying flow rates and nutrient concentrations. Advanced microfluidic BES were employed to isolate and identify kinetic limitations at different stages of biofilm growth, providing an in-depth analysis of enzyme kinetics under flow conditions. Additionally, the thesis discusses the development and optimization of microfluidic membraneless microbial fuel cells (MFCs), which achieved record power densities. This study enhances the understanding of the interplay between hydrodynamics, biofilm growth, and electrochemical kinetics, paving the way for future advancements in the design and application of BES technologies.