[ES] El agua es esencial para la vida. La presente Tesis ha estudiado el uso de ozono y peroximonosulfato como oxidantes en tratamientos de agua para el control de subproductos de desinfección o degradación de contaminantes. La pre-ozonización del agua natural, se consideró como un tratamiento general del agua potable capaz de minimizar la formación de subproductos de la desinfección (DBP). En esta tesis, sin embargo, se ha demostrado que la pre-ozonización de aguas superficiales que contienen cianobacterias comunes, no es un tratamiento adecuado para controlar los DBP basados en cloración (trihalometanos, ácidos haloacéticos, halonitrilos, halocetonas y tricloronitrometano). Los procesos de oxidación avanzada (POAs) basados en ozono y peroximonosulfato se consideran algunas de las tecnologías preferibles para la degradación de contaminantes del agua. Esta tesis ha demostrado que la funcionalización adecuada del carbón activo mediante tratamiento químico da como resultado una funcionalización superficial del carbón con una gran población de grupos funcionales de oxígeno capaces de depositar pequeñas nanopartículas de cobalto. El material resultante exhibe una actividad catalítica para la activación del PMS y la degradación del fenol superior a la mayoría de los estudios previos en este campo. También ha mostrado la posibilidad de desarrollar catalizadores de ozonización libres de metales altamente activos basados en grafito de alta área superficial hidroxilado en los bordes o en nanodiamantes sp2 / sp3 defectuosos. / [CA] L'aigua és essencial per a la vida. La present Tesi ha estudiat l'ús d'ozó i peroximonosulfat com oxidants en tractaments d'aigua per al control de subproductes de desinfecció o degradació de contaminants. La pre-ozonació de l'aigua natural, es va considerar com un tractament general de l'aigua potable capaç de minimitzar la formació de subproductes de la desinfecció (DBP). En aquesta tesi, però, s'ha demostrat que la pre-ozonació d'aigües superficials que contenen cianobacteries comuns, no és un tractament adequat per controlar els DBP basats en cloració (trihalometans, àcids haloacétics, halonitrilos, halocetones i tricloronitrometà). Els processos d'oxidació avançada (POAs) basats en ozó i peroximonosulfat es consideren algunes de les tecnologies preferibles per a la degradació de contaminants de l'aigua. Aquesta tesi ha demostrat que la funcionalització adequada del carbó actiu mitjançant tractament químic dóna com a resultat una funcionalització superficial de l'carbó amb una gran població de grups fun-cionals d'oxigen capaços de dipositar petites nanopartícules de cobalt. El material resultant exhibeix una activitat catalítica per a l'activació del PMS i la degradació del fenol superior a la majoria dels estudis previs en aquest camp. També ha mostrat la possibilitat de desenvolupar catalitzadors d'ozonització lliures de metalls altament actius basats en grafit d'alta àrea superficial hidroxilat en les vores o en nanodiamants sp2 / sp3 defectuosos. / [EN] Water is essential for life. The present Thesis studied the use of ozone and peroxymonosulfate as oxidants in water treatments for disinfection by-products control or pollutant degradation. Pre-ozonation of natural water was considered as a general drinking water treatment able to minimize the formation of DBPs. In this Thesis, however, it has been demonstrated that pre-ozonation of surface water containing common cyanobacteria is not a suitable treatment for controlling chlorination-based DBPs (trihalomethanes, haloacetic acids, haloace-tonitriles, haloketones and trichloronitromethane). AOPs based on ozone and peroxymonosulfate are considered to be some of the preferable technologies for water pollutant degradation. This Thesis has shown that appropriate activated carbon functionalization by chemical treatment results in a surface functionalization with a large population of oxygen functional groups able to deposit small cobalt nanoparticles. The resulting material exhibits a catalytic activity for PMS activation and phenol degradation superior to most of the previous studies in the field. It has also shown the possibility of developing highly active metal-free ozonation catalysts based on edged-hydroxylated high surface area graphite or defective sp2/sp3 nanodiamonds. / Bernat Quesada, F. (2021). Ozone and peroxymonosulfate as oxidants in water treatments for disinfection by-products control or pollutant degradation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/174887 / TESIS

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<p>Lithium-Ion Batteries (Li-ion batteries or LIBs) have been extensively used in a wide variety of industrial applications and consumer electronics. Additive Manufacturing (AM) or 3D printing (3DP) techniques have evolved to allow the fabrication of complex structures of various compositions in a wide range of applications. </p> <p><br></p> <p>The objective of the thesis is to investigate the application of 3DP to fabricate a LIB, using a modified process from the literature [1]. The ultimate goal is to improve the electrochemical performances of LIBs while maintaining design flexibility with a 3D printed 3D architecture. </p> <p><br></p> <p>In this research, both the cathode and anode in the form of specifically formulated slurry were extruded into filaments using a high-temperature pellet-based extruder. Specifically, filament composites made of graphite and Polylactic Acid (PLA) were fabricated and tested to produce anodes. Investigations on two other types of PLA-based filament composites respectively made of Lithium Manganese Oxide (LMO) and Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC) were also conducted to produce cathodes. Several filaments with various materials ratios were formulated in order to optimize printability and battery capacities. Finally, flat battery electrode disks similar to conventional electrodes were fabricated using the fused deposition modeling (FDM) process and assembled in half-cells and full cells. Finally, the electrochemical properties of half cells and full cells were characterized. Additionally, in parallel to the experiment, a 1-D finite element (FE) model was developed to understand the electrochemical performance of the anode half-cells made of graphite. Moreover, a simplified machine learning (ML) model through the Gaussian Process Regression was used to predict the voltage of a certain half-cell based on input parameters such as charge and discharge capacity. </p> <p><br></p> <p>The results of this research showed that 3D printing technology is capable to fabricate LIBs. For the 3D printed LIB, cells have improved electrochemical properties by increasing the material content of active materials (i.e., graphite, LMO, and NMC) within the PLA matrix, along with incorporating a plasticizer material. The FE model of graphite anode showed a similar trend of discharge curve as the experiment. Finally, the ML model demonstrated a reasonably good prediction of charge and discharge voltages. </p>

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<p>The graphite structure in compacted graphite iron (CGI) is more coral-like and interconnected only within each eutectic cell. The irregular surface of the graphite-matrix interface has blunt edges which results in the intimate adhesion of the graphite particles to the metal matrix producing more resistance to crack initiation and more vermicular paths arrest crack propagation. Furthermore, the coral-like graphite particles, which are characterized with round edges, also do not promote crack propagation and serve as crack arrestors once cracks are initiated. This unique morphology of graphite in CGI, thereafter, pays off in a higher tensile strength and modulus of elasticity while possessing reasonable thermal conductivity.</p> <p>This work is divided into two phases. The first phase establishes a foundation of a microstructure modeling technique which will be then applied to model CGI in machining. Modeling is being done to shift the approach away from trial and error as is currently being done to a more physics based approach. As machining is conceptually a controlled fracture process, this stage comprehensively studies and models the initiation and propagation of fracture in compacted graphite iron.</p> <p>The second phase serves as an application of the previously built model to capture the more complex scenario involving machining of CGI at different cutting speeds and feeds. The finite element modeling of CGI in machining provides an as of yet unavailable procedure on which future optimization techniques can be performed. The study of chip formation, cutting insert wear, and force measurements are performed in parallel with the modeling process and are employed as means to validate the FE model. Validation of both work phases has been completed to support the model developed in this thesis that captures the critical aspects of machining CGI under different operating scenarios.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

The anion-intercalation chemistries of graphite have the potential to construct batteries with promising energy and power breakthroughs. Here, we report the use of an ultrathin, positively charged two-dimensional poly(pyridinium salt) membrane (C2DP) as the graphite electrode skin to overcome the critical durability problem. Large-area C2DP enables the conformal coating on the graphite electrode, remarkably alleviating the electrolyte. Meanwhile, the dense face-on oriented single crystals with ultrathin thickness and cationic backbones allow C2DP with high anion-transport capability and selectivity. Such desirable anion-transport properties of C2DP prevent the cation/solvent co-intercalation into the graphite electrode and suppress the consequent structure collapse. An impressive PF6−-intercalation durability is demonstrated for the C2DP-covered graphite electrode, with capacity retention of 92.8% after 1000 cycles at 1 C and Coulombic efficiencies of > 99%. The feasibility of constructing artificial ion-regulating electrode skins with precisely customized two-dimensional polymers offers viable means to promote problematic battery chemistries.

Les piles à combustible sont considérées comme l'une des sources d'énergie du futur. En effet, pour répondre aux enjeux économiques et aux défis écologiques, les chercheurs considèrent que ce type de piles serait une sérieuse alternative aux sources énergétiques actuelles et ce dans un avenir proche. Les piles à combustibles trouvent déjà place dans plusieurs applications industrielles notamment les transports (surtout automobile mais aussi maritime et aérien), les téléphones et ordinateurs portables et la production d'électricité. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est considérée comme la plus prometteuse. Elle est constituée de plusieurs unités consommant de l'hydrogène et de l'air pour produire de l'électricité en continu et ne rejeter que de la vapeur d'eau. Propre et performante, elle présente cependant l'inconvénient de coûter cher. Un coût élevé dû aux matériaux et procédés utilisés dans sa fabrication. Pour palier à ce problème, la recherche s'est orientée vers deux voies : le développement de nouveaux matériaux peu onéreux et l'innovation dans la mise en oeuvre. Le but du présent travail est le développement d'un matériau nanocomposite à base de polymères efficace pour la fabrication d'une composante importante de la PEMFC : les plaques bipolaires (BPP). Ces dernières constituent les extrémités de chaque unité de la pile et assurent le passage des électrons entres les unités adjacentes ainsi qu'une distribution homogène de l'hydrogène ou de l'oxygène sur toute la surface des électrodes de chaque unité. Opérant dans des conditions thermiques et mécaniques assez rudes, les BPP doivent répondre à des caractéristiques électriques et mécaniques très élevées. Dans la littérature, plusieurs matériaux ont été explorés pour fabriquer les BPP : le graphite et les métaux (inoxydables ou revêtus) étaient les plus étudiés mais pour des problèmes de coût ou de performances, ces deux alternatives sont de moins en mois utilisées. Aujourd'hui, l'option qui suscite l'intérêt des chercheurs est celle des matériaux polymères. Les procédés de mise en oeuvre ont été aussi largement étudiés, les plus abordés sont l'extrusion et le moulage par compression. Dans cette étude, le développement d'un matériau composite pour la fabrication des BPP a reposé sur une matrice composée d'un mélange de deux polymères : le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyethylene téréphtalate (PET) associés à un oligomère : le cyclo-butylène téréphtalate (c-BT). L'ajout du c-BT représente l'originalité de ce travail et a pour but de profiter de ses différentes propriétés notamment la faible viscosité. Il se polymerise rapidement en poly-butylène téréphtalate (PBT) sans donner lieu à de produits secondaires. Des charges ont aussi été ajoutées afin d'améliorer la conductivité électrique et la viscosité. Ainsi, du noir de carbone à haute surface spécifique (CB) a été systématiquement ajouté en combinaison avec d'autres charges : le graphite synthétique en forme de feuillets (GR) et les nanotubes multi-feuillets de carbone (MWCNT). Ce choix de matériaux a été effectué suite à des travaux précédents réalisés par le roupe de recherche du professeur Mighri. Un mélangeur interne a permis de mélanger les polymères et les charges (déjà mélangés à sec) pour donner un matériau composite homogène. Une presse à compression a été ensuite utilisée pour mouler la plaque et graver les chemins de circulation des gaz à l'aide d'un moule spécifique. Plusieurs propriétés des matériaux composites produits ont été caractérisées. Il s'agit principalement de la conductivité électrique, de la viscosité complexe ainsi que de la morphologie des matériaux nanocomposites développés. Les tests menés ont montré que l'ajout du c-BT dans les mélanges polymères ne permettait pas de diminuer les résistivités des composites obtenus alors qu'il améliorait le comportement visqueux ce qui se traduisit dans la pratique par une facilité relative de la mise en oeuvre. Cependant, ce travail a rencontré une contrainte majeure lors de la fabrication des plaques bipolaires et qui pourrait être due à la géométrie du moule spécifique. En effet, les plaques obtenues ont été toutes cassantes.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / Itzhak Ben-Itzhak / Patrick Richard / This work focuses on the ultrafast dynamics of electrons and phonons in graphitic materials. In particular, we experimentally investigated the factors which influence the transport properties of graphite and carbon nanotubes. In the first part of this dissertation, we used Time-resolved Two Photon photoemission (TR-TPP) spectroscopy to probe the dynamics of optically excited charge carriers above the Fermi energy of double-wall carbon nanotubes (DWNTs). In the second part of this study, time-resolved anti-Stokes Raman (ASR) spectroscopy is applied to investigating in real time the phonon-phonon interactions, and addressing the way the temperature affects the dynamics of single-wall carbon nanotubes (SWNTs) and graphite. With respect to the first part, we aim to deeply understand the dynamics of the charge carriers and electron-phonon interactions, in order to achieve an as complete as possible knowledge of DWNTs. We measured the energy transfer rate from the electronic system to the lattice, and we observed a strong non-linear increase with the temperature of the electrons. In addition, we determined the electron-phonon coupling parameter, and the mean-free path of the electrons. The TR-TPP technique enables us to measure the above quantities without any electrical contacts, with the advantage of reducing the errors introduced by the metallic electrodes. The second investigation uses time-resolved ASR spectroscopy to probe in real time the G-mode non-equilibrium phonon dynamics and the energy relaxation paths towards the lattice by variation of the temperature in SWNTs and graphite. The lifetime range of the optically excited phonons obtained is 1.23 ps to 0.70 ps in the lowest (cryogenic temperatures) and highest temperature limits, respectively. We have also observed an increase in the energy of the G-mode optical phonons in graphite with the transient temperature. The findings of this study are important since the non-equilibrium phonon population has been invoked to explain the negative differential conductance and current saturation in high biased transport phenomena.

Dans cette thèse, la spectroscopie Raman résonante UV (SRRUV) est appliquée pour la première fois à l'étude ‘in situ’ de matériaux carbonés à très haute température (> 2000 K) ou à haute pression (< 1 GPa).La thèse est constituée de trois parties. La première aborde notre travail de caractérisation en SRRUV (1) de films semi conducteurs de diamants ultra-nano-cristalins, (2) des kérogènes issues de météorites chondritiques et de charbons, et (3) des tholins, échantillons de carbone-hydrogène-azote, synthétisés comme analogues de l'atmosphère de Titan.L’intérêt pour ces phases du carbone en planétologie et en science des matériaux nous a poussé à mettre en œuvre leur étude ‘in situ’ en SRRUV. La seconde partie de la thèse est consacrée au développement d'une platine chauffante, grâce à laquelle les spectres Raman du graphite sous sa forme pyrolitique et HOPG ont été mesurés jusqu'à 2700 K. Ces données valident les modèles anharmoniques théoriques d’interaction électron-phonon et phonon-phonon. Le spectre Raman du graphite a été étalonné en fonction de la température et devient un « thermomètre » à très haute température.Dans la troisième partie de cette thèse, une presse à enclumes opposées a été modifiée pour suivre en SRRUV les changements structuraux de cristaux moléculaires très luminescents. Les vibrations intramoléculaires du cristal de pérylène sont étudiées sous pression par SRRUV. Ce composé est un cristal formé de molécules organiques polyaromatiques, avec des propriétés de semi-conducteur. Les effets de la pression sur certains modes de vibrations sont non linéaires et mettent en évidence des changement structuraux et de planéité de la molécule. / I applied UV resonant Raman spectroscopy (UVRRS) to an ‘in situ’ study of carbon materials at very hight temperature (> 2000 K) or at high pressure (< 1 GPa).The advantages of UVRRS are presented in the first part of this PHD thesis, and used to investigate details of the composition and structure of disordered carbon materials such as: (1) n-type nanocrystalline films, (2) carbonaceous matter in chondrites and (3) tholins, HCN synthetic samples of Titan 's atmosphere.‘In situ’ Raman studies are limited to 2000 K by the visible black-body emission. I designed a high temperature cell to perform UVRRS above this limit. The second part of the manuscript presents Raman spectra of pyrolitic graphite and HOPG up to 2700 K. This data are consistent with anharmonic models up to 900 K, and show the coupling effects of electron-phonon and phonon-phonon. The last one dominates the anharmonicity above 1000 K. The Raman spectra was calibrated as a function of temperature and became a “thermometer” up to 2700 K.For high pressure measurements in the third part, I modified an anvil cell to study by UVRRS, the vibrational changes induced by pressure on very luminescent molecular organic crystals. I present an analysis at 244 nm of resonant Raman modes of perylene crystal under hydrostatic pressure up to 0.8 GPa. Some of them have a non linear feature under pressure, revealing structural and planar modifications of the molecules.