Dans cette thèse, nous avons étudié plusieurs structures carbonées par microscopie et à effet tunnel et microscopie à force atomique à l'air et à température ambiante. La première section concerne l'étude du graphite HOPG, utilisé comme substrat au cours de nos mesures. Nous montrons et expliquons la résolution atomique sur le graphite puis l'étudions par spectroscopie à effet tunnel. Les courbes sont ensuite comparées avec la densité d'états calculée du graphite. Une figure de Moiré est aussi analysée en détail. Elle est obtenue par la rotation d'un feuillet graphitique dans l'empilement ABAB. La résolution atomique est obtenue à la fois sur la superstructure et sur la couche supérieure du graphite. Une analyse théorique est effectuée et permet d'attribuer les zones de densité d'états différentes dans l'image STM à des empilement graphitiques variés. Une étude de l'influence de la variation de la tension de polarisation sur l'image STM est aussi effectuée. Elle révèle qu'à très faible tension, l'interaction entre la pointe et l'échantillon est prépondérante. Elle donne lieu à une structure d'ordre six dans les images STM, témoin de la différence de compressibilités entre les empilements stables et intermédiaires. Un joint entre deux grains graphitiques a aussi été mesuré en détail. La résolution atomique présente une superstructure comprenant des cercles de plus haute densité d'états disposés de manière périodique. Plusieurs modèles théoriques sont élaborés de manière à rendre compte de l'image expérimentale. Les deux premiers prennent en considération des défauts de Stone-Wales dans le réseau hexagonal non déformé. Le troisième modélise un joint entre deux grains d'orientations différentes grâce à l'adjonction de pentagones et heptagones. Pour chaque structure, une image STM théorique est calculée et comparée aux mesures expérimentales. Ils montrent que la signature STM des pentagones est un cercle de plus haute densité d'états et indiquent la probable présence de pentagones le long de la ligne formant la jonction entre les grains graphitiques. Le dernier modèle reproduit assez fidèlement l'image mesurée. Le chapitre suivant présente les résultats obtenus par microscopie à force atomique et microscopie électronique (SEM) sur des nanotubes de carbone multifeuillets hélicoïdaux. Nous expliquons d'abord la méthode de préparation des substrats. Ensuite, nous analysons un nanotube hélicoïdal de très faible pas par microscopie électronique. Cette technique nous permet de mesurer l'hélice. Ensuite, le même nanotube est observé par microscopie à force atomique. Une image à trois dimension de l'hélice est réalisée et comparée avec les mesures SEM. On remarque que la hauteur de l'hélice ne correspond pas à son diamètre. Plusieurs hypothèses sont envisagées pour expliquer cela. Nous en concluons que c'est la contamination dans la chambre du microscope électronique qui est à l'origine de cette différence. Des mesures de modulation de force ainsi qu'une tentative de microscopie à effet tunnel sur un nanotube hélicoïdal sont aussi présentées. Enfin, des nanotubes monofeuillets ont été observés par microscopie et spectroscopie à effet tunnel. La résolution atomique a été obtenue sur plusieurs tubules différents et leur indices (m,n) déterminés. De plus, la résolution atomique sur la totalité des tubules formant une corde a été réalisée. Elle prouve qu'à l'intérieur d'une même corde, la chiralité des tubes varie. Nous avons continué cette recherche par l'étude de l'extrémité d'un nanotube monofeuillet. La résolution atomique a aussi été réalisée. Elle montre une capsule de type hémisphérique. Deux pentagones formant la capsule ont également été mis à jour. Enfin, des mesures de spectroscopie à effet tunnel réalisées sur une corde de nanotube résolue atomiquement sont discutées.

The formation of surface films on electrodes in contact with non-aqueous electrolytes in lithium-ion batteries has a vital impact on battery performance. A basic understanding of such films is essential to the development of next-generation power sources. The surface chemistry, morphology and thermal stability of two typical anode and cathode materials, graphite and LiNi0.8Co0.2O2, have here been evaluated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction, scanning electron microscopy and differential scanning calorimetry, and placed in relation to the electrochemical performance of the electrodes. Chemical and morphological information on electrochemically formed graphite surface films has been obtained accurately by combining XPS measurements with Ar+ ion etching. An improved picture of the spatial organisation, including thickness determination of the surface film and characterisation of individual component species, has been established by a novel sputtering calibration procedure. The stability of the surface films has been shown to depend strongly on temperature and choice of lithium salt. Decomposition products from elevated-temperature storage in different electrolyte systems were identified and coupled to effects such as capacity loss and increase in electrode resistance. Different decomposition mechanisms are proposed for surface films formed in electrolytes containing LiBF4, LiPF6, LiN(SO2CF3)2 and LiCF3SO3 salts. Surface film formation due to electrolyte decomposition has been confirmed on LiNi0.8Co0.2O2 positive electrodes. An overall surface-layer increase with temperature has been identified and provides an explanation for the impedance increase the material experiences on elevated-temperature storage. Surface phenomena are clearly major factors to consider in selecting materials for practical Li-ion batteries.

Analysis of the electronic structures of nitrogen-doped, amorphous carbon samples and of nanodiamond films are carried out in order to determine their sp2 bonding concentration. The amorphous carbon samples under consideration are deposited onto polytetrafluoroethylene (PTFE) polymer substrates by hot wire plasma sputtering of graphite in varying nitrogen concentration atmospheres. The deposition or modification of the substrates surface may lend itself to increasing hardness and wear resistance. Eventually these polymer substrates may be used for applications in the field of biomaterials, focusing on cardiovascular surgery, where a low blood/surface interaction is important. The primary technique used in this study is x-ray absorption spectroscopy, measured at the Advanced Light Source synchrotron at the Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA. A method of analyzing these spectra was then developed to determine the sp2 bonding concentrations in carbon films. Through this newly developed analysis method, the sp2 bonding concentrations in these samples increases from 74 to 93% with growing nitrogen doping. The diamond films presented here are deposited on silicon wafer substrates in a methane atmosphere by microwave plasma deposition. Various deposition conditions, such as bias voltage and methane atmosphere concentration, affect the purity of the diamond film. This analysis reveals sp2 bonding concentrations in these samples from, typically, a few percent to 25%.

Ce travail se situe dans le cadre des études sur la gestion des déchets graphites des centrales nucléaires Uranium Naturel Graphite Gaz (UNGG) de première génération. Leur fonctionnement a généré 23000 tonnes de déchets graphites pour lesquels la loi du 28 juin 2006 prévoit un stockage dédié. La gestion à long terme de ces déchets nécessite de prendre en compte deux radionucléides principaux : le ^14C et le ^36Cl, principaux contributeurs de dose sur le long terme. Afin de consolider les données sur l'inventaire de ces radionucléides et de prévoir leur comportement lors de la resaturation en eau du site de stockage, il est nécessaire de disposer de données liées à leur distribution et à leur spéciation dans le graphite avant stockage. Ce travail a été centré sur l'étude du chlore. Il a eu pour objectif de retracer le comportement du 36Cl dans le graphite nucléaire durant "sa vie" en réacteur et, en particulier d'étudier les effets de la température et de la corrosion radiolytique de manière découplée. Nos résultats permettent de déduire qu'il se produit un relâchement rapide du 36Cl d'environ 20% dès les premières heures de fonctionnement du réacteur. Celui-ci est suivi par un relâchement beaucoup plus lent tout au long de la vie du réacteur. Nous avons identifié la présence de deux fractions distinctes de chlore correspondant à des formes chimiques différentes (n'ayant pas la même stabilité thermique) ou à deux localisations du chlore d'accessibilités différentes. Notre etude montre également que la corrosion radiolytique semble promouvoir le relâchement du chlore et cela quelle que soit la dose d'irradiation. La forme chimique du chlore est majoritairement organique.

Résumé : L'évolution des structures poreuses du graphite et de la vermiculite expansés a été étudiée in situ sous pression uniaxiale. Les propriétés d'un matériau résultant des propriétés intrinsèques à la matrice et de celles dues à la porosité, les études faites dans ce travail ont porté sur deux échelles différentes. Les évolutions structurales de la structure cristalline du graphite et de la vermiculite ont d'abord été étudiées à haute pression en cellule à enclumes de diamant. Cette partie du travail a permis d'établir les équations d'état de la vermiculite et de contribuer, de manière significative, à la caractérisation de la phase haute pression du graphite: une nouvelle phase, le Carbone Z, a été proposée après l'analyse des données de la spectroscopie Raman couplée aux simulations. Des développements techniques ont été particulièrement réalisés pour permettre d'étudier in situ l'évolution de la porosité sous pression par diffusion aux petits angles sous pression. L'application du modèle fractale à l'analyse des données a permis de suivre l'évolution de la dimension fractale et de la surface spécifique apparente. Les échantillons étudiés sont des formes comprimées de graphite et de vermiculite expansés dans lesquelles les plans basaux des cristallites ont une orientation préférentielle. Sous pression uniaxiale, la structure poreuse du graphite expansé comprimé évolue à travers un effondrement irréversible des pores ou un cisaillement de la matrice suivant l'orientation de la pression appliquée par rapport à l'orientation préférentielle des plans basaux des cristallites. Des expériences complémentaires de mesures électriques et de mesures de la porosité par intrusion de mercure ont permis de confirmer ces modèles proposés. Dans la vermiculite expansée comprimée, les fissures apparaissent, de manière générale, sous l'effet de la pression uniaxiale.

The evolution of nanotechnology over the past 20 years has allowed researchers to use a wide variety of techniques and instruments to synthesize and characterize new materials on the nano scale. Due to their size, these nano materials have a wide variety of interesting properties, including, high tensile strength, novel electronic and optical properties and high surface areas. In any absorption system, a high surface areas is desirable, making carbon nano materials ideal candidates for use in absorption systems. To that end, we have prepared a variety of nano carbons, single walled carbon nanotubes, multi walled carbon nanotubes, graphite intercalation compounds, graphite oxide, phenylalanine modified graphite and fullerenes, for the absorption of carbon dioxide. These nano carbons are functionalized with the polymer, polyethyleneimine, and fully characterized using Raman spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, solid state 13 C NMR, and thermogravimetric analysis. The carbon dioxide absorption potential of the PEI-nano carbons was evaluated using thermogravimetric analysis at standard room temperature and pressure. We have demonstrated the high gravimetric capacity of carbon dioxide capture on these materials with extremely high capacities for PEI-C 60 .

Analysis of the electronic structures of nitrogen-doped, amorphous carbon samples and of nanodiamond films are carried out in order to determine their sp2 bonding concentration. The amorphous carbon samples under consideration are deposited onto polytetrafluoroethylene (PTFE) polymer substrates by hot wire plasma sputtering of graphite in varying nitrogen concentration atmospheres. The deposition or modification of the substrates surface may lend itself to increasing hardness and wear resistance. Eventually these polymer substrates may be used for applications in the field of biomaterials, focusing on cardiovascular surgery, where a low blood/surface interaction is important. The primary technique used in this study is x-ray absorption spectroscopy, measured at the Advanced Light Source synchrotron at the Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA. A method of analyzing these spectra was then developed to determine the sp2 bonding concentrations in carbon films. Through this newly developed analysis method, the sp2 bonding concentrations in these samples increases from 74 to 93% with growing nitrogen doping. The diamond films presented here are deposited on silicon wafer substrates in a methane atmosphere by microwave plasma deposition. Various deposition conditions, such as bias voltage and methane atmosphere concentration, affect the purity of the diamond film. This analysis reveals sp2 bonding concentrations in these samples from, typically, a few percent to 25%.

Several methods have been developed previously for estimating cumulative energy production and plutonium production from graphite-moderated reactors. The Graphite Isotope Ratio Method (GIRM) is one well-known technique. This method is based on the measurement of trace isotopes in the reactor’s graphite matrix to determine the change in their isotopic ratios due to burnup. These measurements are then coupled with reactor calculations to determine the total plutonium and energy production of the reactor. To facilitate sensitivity analysis of these methods, a one-group cross section and fission product yield library for the fuel and graphite activation products has been developed for MAGNOX-style reactors. This library is intended for use in the ORIGEN computer code, which calculates the buildup, decay, and processing of radioactive materials. The library was developed using a fuel cell model in Monteburns. This model consisted of a single fuel rod including natural uranium metal fuel, magnesium cladding, carbon dioxide coolant, and Grade A United Kingdom (UK) graphite. Using this library a complete sensitivity analysis can be performed for GIRM and other techniques. The sensitivity analysis conducted in this study assessed various input parameters including 235U and 238U cross section values, aluminum alloy concentration in the fuel, and initial concentrations of trace elements in the graphite moderator. The results of the analysis yield insight into the GIRM method and the isotopic ratios the method uses as well as the level of uncertainty that may be found in the system results.

The characteristics of the proton exchange membrane fuel cell (called PEMFC) stacks made with the graphite unipolar/bipolar plates are studied in this thesis. Using pure hydrogen as fuel, certain experimental work is conducted to help us to understand the factors which influence on the performance of a HFC stack. The experimental work under various operating conditions starts from single cell stacks to multi-cell stacks. The maximum power is about 200 W, which is made with two 10-cell stacks in series. For simplification, all of the flow channels in the cathode are open type in which air is directly supplied from ambient by fan. The comparison of the performance of two single cells, which are made with both a graphite unipolar plate and a new-type carbon fiber unipolar plate, is conducted. The total resistances of the two types of bipolar plates with gas diffusion layers are tested to help us to understand their strong or weak points. The experimental results display that the double inlets has better performance than the single inlet due to larger entrance space. Increasing the applied torque will reduce the contact resistance between bipolar plate and diffusion layer and also the gaps between the fibers of carbon cloth. Reducing the contact resistance is helpful in increasing the performance of the cell, but reducing the gaps between fibers will inhibit the entering of reactive gas and is unfavorable for performance; therefore, the proper torque is necessary to obtain the best voltage output. When air is used as an oxidizer and the flow channel is an open type channel, the fan in high rotating speed is helpful at high current density. The high air volume flow rate can supply sufficient oxidizer and avoid the decay of the voltage output at high current density. At the current density 1 A/cm2, the power density of the single-cell stack is about 400 mW/cm2 and the power density of the 10-cell stack is down to about 310 mW/cm2 in our experiment. The rib of the carbon fiber unipolar/bipolar plate is soft, so there is no deformation in the gas diffusion layer in stack assembly. Only slight compression is needed to assemble a stack; therefore, the reactive gas can easily flow into the most of active area. This type unipolar/bipolar plate is made with low density plastic except that the rib is made with carbon fiber bunches. Thus the new plate is weight light, cost low and volume small. So it is quite possible that the new-type of carbon fiber plate is used as substitution for the graphite bipolar plate in the future. In that case the light, low cost and high performance choice can be achieved.

This thesis proposes algorithms to construct various nanosystems such as nanotori, nanogear and nanojunctions based on graphite type structures, exploiting the observed pentagonal and heptagonal defects. These produced systems are then simulated to test for their thermal stability and for their electronic properties. A brief review of the methods used is also included.