Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2009. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Le dioxyde de carbone (CO₂) représente actuellement le principal gaz à effet de serre (GHG) anthropique émis dans le monde, entraînant le développement de multiples stratégies pour son atténuation. Par rapport à d'autres stratégies, le recyclage chimique du CO₂ (CCR) par conversion catalytique pour la production de différents produits à valeur ajoutée, incluant des carburants alternatifs, a attiré une attention considérable dans les dernières années. Cependant, la formation de l'eau (comme sous-produit) dans les réactions d'hydrogénation du CO₂ limite thermodynamiquement la conversion, en plus de contribuer à la désactivation des catalyseurs. En déplaçant l'équilibre réactionnel vers la formation des produits en enlevant l'eau in-situ du milieu réactionnel à l'aide de matériaux adsorbants (par le sorption-enhanced reaction process, SERP), on évite efficacement les limitations thermodynamiques, tout en augmentant la conversion et la sélectivité. Dans notre groupe de recherche, nous avons récemment montré que les zéolites hydrophiles FAU-13X et LTA-4A ont une capacité d'adsorption de l'eau adéquate à la température d'intérêt pour le SERP (250 °C). Néanmoins, les études liées à l'adsorption de l'eau en présence de CO₂ à des températures élevées (>130 °C) sont relativement rares par rapport à celles réalisées à des températures bien plus faibles, en raison de l'intérêt accru accordé au captage du CO₂ en postcombustion au cours des dernières années. L'objectif principal de ce travail de maitrise est d'évaluer l'efficacité des zéolites FAU-13X et LTA-4A pour l'adsorption sélective de la vapeur d'eau (H₂Oᵥ) par rapport au dioxyde de carbone, jusqu'à 250 °C. À cet égard, des expériences utilisant différentes combinaisons impliquant H₂Oᵥ et CO₂ ont été réalisées à l'aide d'un Analyseur Gravimétrique Intelligent (IGA) intégré à un analyseur infrarouge (IR) de CO₂. Nous avons étudié l'effet des paramètres opératoires (comme la température et la précharge de l'absorbant avec H₂Oᵥ/CO₂) sur la capacité d'adsorption, ainsi que sur la sélectivité et la cinétique d'adsorption. Les résultats ont montré que la zéolite FAU-13X présente une sélectivité d'adsorption en H₂Oᵥ significative par rapport au CO₂ (toujours >90), 1.2 fois supérieure à la LTA-4A. Pour les deux zéolites, la capacité d'adsorption du CO₂ a diminué significativement, tandis que la capacité de H₂Oᵥ est demeurée presque semblable, comparativement aux données obtenues pour les composants purs. Ceci a été attribué au déplacement des molécules de CO₂ par les molécules de H₂Oᵥ dans les sites d'adsorption. On a constaté que le modèle exponentiel à double étirement (DSE) représentait bien toutes les données d'adsorption transitoire, ce qui nous a permis de déterminer les paramètres cinétiques. Ces résultats représentent une contribution essentielle à la modélisation, la conception et la simulation d'un SERP efficace impliquant la conversion catalytique du CO₂. / Carbon dioxide (CO₂) is currently the main anthropogenic greenhouse gas (GHG) emitted in the world, leading to the development of multiple mitigation strategies. Compared to other strategies, CO₂ chemical recycling (CCR) by catalytic conversion to the production of various value-added products, including alternative fuels, has attracted considerable attention in recent years. However, the formation of water (as a by-product) in CO₂ hydrogenation reactions limits conversion thermodynamically, in addition to contributing to the deactivation of catalysts. Shifting the reaction equilibrium towards products formation by removing water in-situ from the reaction medium using adsorbent materials (through the sorption-enhanced reaction process, SERP), thermodynamic limitations are effectively avoided, while increasing conversion and selectivity. In our research group, we recently showed that hydrophilic zeolites FAU-13X and LTA-4A have adequate water adsorption capacity at the temperature of interest for SERP (250 °C). Nonetheless, studies related to water adsorption in the presence of CO₂ at high temperatures (>130 °C) are relatively rare compared to those carried out at much lower temperatures, due to the increased interest in post-combustion CO₂ capture in recent years. The main objective of this master's work is to evaluate the efficiency of zeolites FAU-13X and LTA-4A for the selective adsorption of water vapor (H₂Oᵥ) against carbon dioxide, up to 250 °C. In this regard, experiments using different combinations involving H₂Oᵥ and CO₂ were performed using an Intelligent Gravimetric Analyzer (IGA) integrated with an infrared (IR) CO₂ analyzer. We studied the effect of operating parameters (like temperature and preloading of the adsorbent with H₂Oᵥ/CO₂) on adsorption capacity, as well as on selectivity and adsorption kinetics. The results showed that FAU-13X zeolite presents significant H₂Oᵥ adsorption selectivity relative to CO₂ (always >90), 1.2 times higher than LTA-4A. For both zeolites, CO₂ adsorption capacity decreased significantly, while H₂Oᵥ capacity remained almost similar compared to the data obtained for pure components. This was attributed to the displacement of CO₂ molecules by H₂Oᵥ molecules on adsorption sites. The double stretched exponential (DSE) model was found to represent all transient adsorption data, allowing us to determine kinetic parameters. These results represent an essential contribution to the modeling, design, and simulation of an efficient SERP involving CO₂ catalytic conversion.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 80-83. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

La photocatalyse sous la lumière solaire est considérée comme une solution prometteuse face aux crises énergétiques et aux enjeux environnementaux. Dans le procédé photocatalytique, un photocatalyseur à base d'un semi-conducteur est l'élément clé pour une réduction efficace du CO₂. Entre autres, le nitrure de carbone graphitique et les points quantiques sont les matériaux les plus étudiés car ils sont faciles à synthétiser, peu coûteux et possèdent des propriétés physico-chimiques exceptionnelles. Un grand nombre de photocatalyseurs nanostructurés à base de g-C₃N₄ et de points quantiques ont été développés et étudiés pour la réduction photocatalytique du CO₂. Cependant, leur performance photocatalytique reste modérée en raison de la recombinaison rapide des charges et de l'absorption insuffisante de la lumière solaire. Cette thèse a utilisé des stratégies simples et nouvelles pour développer trois photocatalyseurs efficaces pour la réduction du CO₂. Les matériaux synthétisés présentent des propriétés structurelles uniques avec une meilleure absorption de la lumière solaire et un taux de séparation des charges plus élevé, contribuant ainsi à une meilleure efficacité photocatalytique. Pour les matériaux à base de g-C₃N₄, nous avons pour la première fois utilisé le nitrure de carbone graphitique avec l'intégration de clusters du cobalt comme cocatalyseur pour la réduction du CO₂ par copolymérisation entre l'urée et un complexe du cobalt comme précurseurs du g-C₃N₄ et du cluster du cobalt, respectivement. L'utilisation de 4,4'-Diamino-2,2'-bipyridine en tant que ligand de coordination du complexe du cobalt est avantageuse. Premièrement, il peut copolymériser avec l'urée au cours du traitement thermique pour la formation du g-C₃N₄, améliorant ainsi l'absorption de la lumière solaire du g-C₃N₄. Deuxièmement, il peut stabiliser le cluster du cobalt et fournir une voie du transfert d'électrons efficace entre g-C₃N₄ et le cobalt, résultant en une meilleure performance photocatalytique. Pour le second matériau, nous avons tenté d'améliorer l'absorption de la lumière solaire du g-C₃N₄ en incorporant des nanoparticules (NPs) plasmoniques du TiN à la surface des nanofeuilles du g-C₃N₄. Avant l'incorporation, la surface des NPs TiN plasmoniques a été greffée avec des groupes amino pour améliorer l'interaction avec l'urée pendant le processus de copolymérisation thermique. Le matériau synthétisé a montré une meilleure absorption de la lumière solaire et une séparation des charges optimisée. En conséquence, ce photocatalyseur a démontré une performance élevée pour la réduction photocatalytique du CO₂ sous l'irradiation solaire. En ce qui concern le troisième matériau des points quantiques, nous avons tenté d'explorer la relation entre les protons localisés près des sites actifs et la performance photocatalytique en utilisant le 3-mercaptopropionate comme « obturateur des protons » aux surfaces des points quantiques du CdS. Les points quantiques du CdS recouverts d'acide 3-mercaptopropionique (MPA) ont été synthétisés par une méthode facile en milieu aqueux. Il a été constaté que l'activité photocatalytique améliorée de ce matétiau pourrait être attribuée à l'interaction coopérative entre les protons localisés et les atomes du Cd à la surface du matériau, qui se comportent comme un résultat de l'interaction des acides Lewis et des bases Lewis, respectivement. / The solar-light driven photocatalysis is considered a promising solution to both energy-shortage and environmental issues. In photocatalysis, a semiconductor-based photocatalyst is key to efficient CO₂ reduction. Among others, graphitic carbon nitride and quantum dots materials are the most investigated because of their easy synthesis, low cost, and outstanding physicochemical properties. Numerous g-C₃N₄ and quantum dots - based nanostructured photocatalysts have been developed and studied for photocatalytic CO₂ reduction. However, their photocatalytic performance is still moderate due to the rapid charge recombination and insufficient solar-light absorption. This thesis employed facile and new strategies to develop three efficient photocatalysts for CO₂ reduction. The synthesized materials exhibit unique structural properties with improved solar-light absorption and increased charge separation rate, thus contributing to photocatalytic efficiency. For the g-C₃N₄ materials, we first employed cobalt cluster embedded graphitic carbon nitride as a cocatalyst for CO₂ reduction by copolymerization between urea and cobalt complex as g-C₃N₄ and cobalt cluster precursors, respectively. Using 4,4'-Diamino-2,2'-bipyridine as a coordinating ligand of the cobalt complex is beneficial. First, it can copolymerize with urea during the thermolysis for the g-C₃N₄ formation, thus improving solar-light absorption of g-C₃N₄. Secondly, it can stabilize the cobalt cluster and provide and efficient electron transfer pathway between g-C₃N₄ and the cobalt cluster, resulting in enhanced photocatalytic performance. In the second material, we attempted to improve the solar-light absorption of g-C₃N₄ by incorporating TiN plasmonic nanoparticles onto the surface of g-C₃N₄ nanosheets. Before the incorporation, the surface of plasmonic TiN nanoparticles is grafted with amino groups to enhance the interaction with urea during the thermal copolymerization process. The synthesized material exhibited enhanced solar-light absorption and improved charge separation. As a result, this photocatalyst demonstrated high performance for photocatalytic CO₂ reduction under solar-light irradiation. Regarding quantum dots material, we attempted to explore the relationship between the localized protons near the active sites and the photocatalytic performance by employing 3-mercaptopropionate as a proton shutter on CdS quantum dot surfaces. A facile aqueous synthesis was utilized to synthesize the water-soluble 3-mercaptopropionic acid (MPA)-capped CdS quantum dots. It was found that the enhanced photocatalytic activity of functional CdS quantum dots could be attributed to the cooperative interaction between localized protons and surface Cd atoms, which behave as a result of the Lewis acid and Lewis base interaction, respectively.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2003. / Titre de l'écran-titre (visionné le 31 mars 2004). Bibliogr.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [54]-55. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

La chute de luminosité ainsi que l’augmentation saisonnière des températures sont considérées comme les principaux agents induisant la sénescence des feuilles chez les plantes éphémères printanières des forêts décidues. Cependant ces deux facteurs n’expliquent pas directement les variations interannuelles de croissance de l’organe souterrain. Nous suggérons que la longévité des feuilles des géophytes printanières serait déterminée par les conditions de stockage des sucres de réserve (taille de/durée de croissance de l'organe pérenne, vitesse de stockage) et non que la durée de vie des feuilles déterminerait la taille de l’organe pérenne. Nos résultats chez Erythronium americanum suggèrent une entrée en sénescence prématurée de la feuille aux températures élevées lorsque les plantes sont cultivées à 12/8°C ou 18/14°C ; lorsque le bulbe arrête de croître, la feuille est encore photosynthétiquement active et la concentration en nutriments élevée, signifiant une remobilisation non achevée des nutriments. L'enrichissement de l'air en CO2 augmente l'assimilation nette des plantes, mais n'accélère pas la croissance du bulbe, et donc pas l’accumulation des sucres. La force d’un puits de carbone tel que le bulbe pourrait influencer la longévité de la feuille chez les individus immatures de cette espèce. / Reduction in light intensity as well as seasonal increase in temperature are considered the main factors inducing the senescence of the leaves of deciduous forest spring ephemerals. However, these two factors cannot completely explain the interannual variations in belowground organ growth. We suggest that leaf longevity of spring geophytes is determined by carbohydrate storage conditions (size and growth duration of the perennial organ, storage duration) and not that leaf lifespan determine the size of the perennial organ. Our results on Erythronium americanum suggest that leaf senescence appears prematurely under the higher temperature regime when plants are cultivated at 12/8°C or 18/14°C; when the bulb stops to grow, the leaf is still photosynthetically active and the nutrient concentration is high, meaning their mobilisation is not achieved. CO2 air enrichment increases plant net assimilation rate but does not increase bulb growth rate, and thus does not enhance carbohydrate storage. The strength of a sink of carbon such as the bulb might influence leaf longevity in single-leaved individuals of this species.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Seulement neuf années se sont écoulées depuis la découverte que les ‘’Paires de Lewis Frustrées’’ (PLF) peuvent promouvoir le clivage de l’hydrogène, mais plus d’un millier d’articles scientifiques ont déjà été publiés sur le sujet. Au début des travaux décrits dans cette thèse, les catalyseurs pour la réduction du CO2 étaient excessivement rares et peu efficaces. La présente thèse porte donc sur le développement de nouveaux systèmes sans métal de transition pour la réduction catalytique du CO2 en molécules riches en énergie et plus précisément, en méthanol. D’abord, la préparation d’un nouveau système basé sur les PLF et sa capacité à activer le CO2 de façon réversible est présenté. En présence de catécholborane, le CO2 est catalytiquement réduit en méthoxyboranes, espèces facilement hydrolysables en méthanol. Surprenamment, un produit de décomposition est identifié comme étant responsable de l’activité catalytique. En effet, l’espèce ambiphile 1-Bcat-2-PPh2-C6H4 constitue le premier exemple d’un catalyseur sans métal de transition pour l’hydroboration du CO2. L’activité de ce catalyseur excessivement simple surpasse celle des meilleurs systèmes basés sur des métaux. Des études mécanistiques détaillées révèlent que l’activation simultanée du borane et du CO2 est d’une importance critique. Une investigation poussée révèle que la formation d’un adduit entre le catalyseur et le formaldéhyde résulte en un organocatalyseur d’autant plus actif. Il est aussi démontré que les phosphazènes, super bases organiques, sont des organocatalyseurs très actifs pour la transformation du CO2 en dérivés de formate ou de méthanol. De façon intéressante, le DMF (N, N-diméthylformamide) peut promouvoir l’hydrosilylation réductive du CO2 en absence de catalyseur. Une nouvelle stratégie d’hydrogénation a été développée en étudiant les aspects fondamentaux de l’hydrogénation par les PLFs, permettant ainsi la conception d’un système pour l’hydrogénation du CO2 en conditions ambiantes. Même si une voie de décomposition inattendue rend le processus stoéchiométrique, une optimisation du catalyseur pourrait générer le premier catalyseur sans métal pour l’hydrogénation du CO2. / Only nine years have passed since the seminal discovery that Frustrated Lewis Pairs (FLPs) could split dihydrogen and yet, more than a thousand research papers have already been published on the subject. As the work presented herein commenced, metal-free systems capable of catalytically transforming CO2 could be counted on a single hand while transition-metal based systems were almost as scarce. As such, the present thesis deals with the development of novel transition-metal-free systems for the catalytic reduction of CO2 to energy rich materials, most notably methanol. Firstly, the preparation of a new FLP system bearing three pendant phosphine groups Al(C6H4(o-PPh2))3 and its ability to activate carbon dioxide in a reversible fashion are presented. In the presence of catecholborane, CO2 is catalytically reduced to methoxyboranes, species which are readily hydrolyzed to methanol. Interestingly, a decomposition product is shown to be responsible for the catalytic activity Indeed, species 1-Bcat-2-PPh2-C6H4 is the first report of a catalyst for the metal-free hydroboration of carbon dioxide. The activity of this excessively simple catalyst surpasses that of the best transition metal systems while using the cheap and high hydrogen content borane BH3.SMe2. In-depth mechanistic studies reveals that simultaneous activation of both the borane and CO2 molecules is of critical importance. Further investigation reveals that the formation of an adduct between the catalyst and formaldehyde affords an even more potent organocatalyst. It is also shown that phosphazene superbases are very active organocatalysts for the transformation of CO2 to either formate or methanol derivatives. Unexpectedly, N, N-dimethylformamide (DMF) can promote the reductive hydrosilylation of CO2 in the absence of any catalyst. Finally, the challenging task of developing a metal-free system for the hydrogenation of CO2 was undertaken. A novel strategy was developed by studying the fundamental aspects of FLP mediated hydrogenations, allowing us to achieve CO2 reduction under ambient conditions. While an unexpected decomposition pathway hampered catalysis, optimisation of the catalyst design is expected to yield the first metal-free catalyst for the hydrogenation of CO2.