Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage électrochimique de l’énergie destinés à des applications de puissance. Les performances de ces dispositifs sont directement liées aux propriétés physico-chimiques de leurs matériaux d’électrodes. La recherche de nouveaux matériaux présentant des performances accrues (densités d’énergie et de puissance) est nécessaire pour répondre aux besoins en systèmes de stockage performants tout en considérant un coût de fabrication modéré et un faible impact environnemental. Si les densités d’énergies et de puissances gravimétriques (par unité de masse) doivent être améliorées, il est primordial d’augmenter les performances volumiques des supercondensateurs, qui sont des critères essentiels dans la plupart des applications. Cette thèse vise à rechercher de nouveaux matériaux d’électrode de supercondensateur fonctionnant en milieu aqueux, afin d’en améliorer la densité d’énergie volumique. Pour cela, des oxydes polycationiques de forte densité ont été étudiés. Parmi eux, le tungstate de fer (FeWO4) présente des propriétés pseudocapacitives particulièrement intéressantes. Il possède une capacité volumique pouvant dépasser largement celle des carbones activés utilisés dans les supercondensateurs actuels, tout en démontrant une excellente durée de vie. Ce composé a fait l’objet d’une étude approfondie depuis sa synthèse jusqu’à son utilisation dans un supercondensateur asymétrique complet et son comportement électrochimique a été étudié par des techniques de caractérisation in situ et operando. / Supercapacitors are electrochemical energy storage devices particularly suited for power applications. Their performance highly depends on the physical and chemical properties of their electrode materials. Further research on new compounds with improved storage properties is necessary to meet the requirements concerning high-performance energy storage devices while considering a reasonable manufacturing cost and a low environmental impact. Their gravimetric (per mass unit) energy and power densities have to be increased but improving the volumetric energy density of supercapacitors, which is one of the limiting factors of most applications, is essential. This thesis aimed at researching new supercapacitor electrode materials operating in aqueous electrolytes, in order to increase their volumetric energy density. To reach this goal, highdensity polycationic oxides were studied. Among them, iron tungstate (FeWO4) has shown particularly interesting pseudocapacitive properties. It exhibits a higher volumetric capacitance than that of activated carbons used in existing commercial devices and an excellent cycle life. This compound was deeply studied from its synthesis to its use in an asymmetric supercapacitor and its electrochemical behavior was characterized via in situ and operando techniques.

Les travaux exposés dans ce manuscrit portent sur la préparation de catalyseurs monométalliques et bimétalliques à base de cobalt et de fer supportés sur alumine et silice pour la synthèse Fischer-Tropsch. Les catalyseurs notés xCoyFe/Al2O3 ou SiO2 ont une teneur massique globale de 10% pour différentes valeurs du rapport Co/Fe (x et y = 0 ; 2,5 ; 5 ; 7,5 ; 10 et x+y = 10%). Ainsi, ces catalyseurs ont été préparés par imprégnation à sec et caractérisés à différentes étapes de leurs préparations par différentes techniques de caractérisation physico-chimiques et spectroscopiques. L’axe majeur de cette étude concerne la germination des phases oxydes et la genèse des phases actives des matériaux mixtes, les échantillons monométalliques représentant des références solides pour cette étude. Par le biais de décompositions de spectres XANES et d’analyses de surface poussées, nous avons mis en avant la présence d’un alliage CoFe sur certains catalyseurs mixtes après calcination pour les faibles teneurs en cobalt. L’étude de la dispersion des phases oxydes a conduit à montrer que le fer est toujours mieux dispersé que le cobalt quelque soit le catalyseur ou le support utilisé. De plus, sur le support alumine les matériaux sont mieux dispersés, avec des tailles de cristallites plus faibles. L’originalité de ces travaux repose sur l’établissement d’une étude Operando, durant laquelle nous avons pu confirmer la particularité de nos matériaux mixtes CoFe. En effet, ces derniers, présentent une faible sensibilité aux phénomènes de frittage des particules métalliques de cobalt, contrairement aux matériaux monométalliques. Par ailleurs les matériaux mixtes présentent une activité intermédiaire à celle des matériaux classiques monométalliques pour la réaction Fischer-Tropsch. / The work exposed in this manuscript concerns the preparation of monometallic and bimetallic catalysts containing cobalt and iron supported on alumina and silica for the synthesis Fischer-Tropsch. The catalysts denoted xCoyFe/Al2O3 or SiO2 have a total mass content of 10% for various values of the Co/Fe ratio (x and y = 0; 2.5; 5; 7.5; 10 and x+y = 10%). Thus, these catalysts were prepared by wetness impregnation and were characterized at different stages of their preparations by various physicochemical and spectroscopic techniques of characterization. The major part of this study concerns the germination of the oxides phases and the genesis of the active phases of mixed materials. The samples monometallic represent the solid references for this study. From decompositions of XANES and XPS spectra, we proposed the presence of a CoFe alloy on mixed catalysts after calcination for the low cobalt contents. A better dispersion is observed for iron compared with cobalt whatever the support used. Moreover, on the alumina support, iron and cobalt are better dispersed with lower crystallite sizes. The originality of this work consists with the Operando study, which allowed to confirm the characteristic of our mixed materials CoFe. Indeed, the latter, have a low sensitivity of sintering of the cobalt metal particles, contrary to materials monometallic. These mixed materials present an intermediate activity compared with those of monometallic materials for the Fischer-Tropsch reaction.

Cette thèse porte sur l’étude des différents phénomènes qui se produisent au cours de l’activation des catalyseurs industriels à base de cobalt pour la synthèse Fischer-Tropsch et lors de la réaction dans des conditions opératoires réalistes. Une première approche a consisté à étudier l’impact de différents paramètres qu’ils soient opératoires ou structuraux sur les performances catalytiques. Diverses techniques de caractérisations ex-situ combinées à des tests catalytiques ont permis d’établir des corrélations entre la structure de catalyseur et les conditions opératoires. Néanmoins, en raison de limitations de la caractérisation ex-situ, il subsistait un manque d’informations sur la structure du catalyseur au cours de la réaction.De fait, une étude operando innovante de l'évolution de la structure de catalyseur en conditions de réaction Fischer-Tropsch, représentant un défi expérimental significatif en raison des conditions de réaction sévères (haute température, haute pression, milieu multiphasique…), a permis de combler ce manque d’informations.Ces travaux ont finalement mis en évidence la versatilité notable des solides étudiés lors du procédé Fischer-Tropsch, et permis d’apporter des réponses quant aux phénomènes de l’activation et la désactivation des catalyseurs tels que la réduction et l’oxydation du cobalt, le frittage ou encore la carburisation de la phase métallique parfois suggérés dans la littérature. / This PhD thesis focuses on the investigation of different phenomena which occur during activation of the industrial catalysts for Fischer-Tropsch synthesis and during the reaction under realistic conditions. The first approach was to study the impact of different operational and structural parameters on the catalytic performances. Various ex-situ characterization techniques combined with catalytic tests uncovered a few correlations between the catalyst structure and operating conditions. Nevertheless, because of limitations of ex-situ characterization, there remained a lack of information on the evolution of catalyst structure during the reaction. Then, an innovative operando study of the evolution of catalyst structure under reaction conditions in the Fischer-Tropsch process, which represents a significant experimental challenge due to the severe reaction conditions (high temperature, high pressure, multiphase environment ...), has fill this information gap.This work has finally revealed the significant versatility of studied solids in the Fischer-Tropsch process, and provided new insights into understanding catalyst activation and deactivation phenomena such as cobalt reduction/oxidation, sintering or carbidization of the metallic phase often discussed in the literature.

Les catalyseurs à base d’oxyde de rhénium massique ou supporté sont connus pour présenter de bonnes performances dans la conversion directe du méthanol en diméthoxyméthane. Cette réaction élégante requiert un catalyseur bifonctionnel acide-redox et s’inscrit dans la recherche de procédés courts mettant en œuvre des réactifs issues de la biomasse. La structure des phases actives oxorhénates supportées fait débat et semble conditionnée par (i) la désorption rapide des oxydes de rhénium et (ii) les propriétés physico-chimiques du support. Dans cette étude, nous avons, de manière incontestable, mis en évidence l’existence d’entités non équivalentes dont la structure est liée à la teneur en rhénium. Dans le cas de catalyseurs conventionnels, la désorption massive des oxydes de rhénium en conditions réactionnelles rend impossible l’établissement d’une corrélation structure-réactivité. Nous avons mis au point une voie de synthèse alternative et préparé un catalyseur ReOx/SiO2 dont les performances égalent les meilleurs catalyseurs actuels. Grâce à une première étude in situ basée sur les spectroscopies Raman et XAS en conditions operando, il a été possible de proposer, pour cette phase active, une structure originale de type adduit RexOy.nH2O. D’autres particularités, comme la nano-texturation du catalyseur sont évoquées pour expliquer la limitation du phénomène de désorption de rhénium. Pendant la réaction, le couple redox ReVI/ReIV est responsable de l’oxydation ménagée du méthanol en formaldéhyde, tandis que l’espèce ReVII présente une acidité suffisante pour permettre la condensation rapide de deux molécules de méthanol avec le formaldéhyde adsorbé et former le diméthoxyméthane. / Bulk or supported rhenium oxide based catalysts, are known to have good performances in terms of direct conversion of methanol to dimethoxymethane. This refined reaction needs a bifunctional acid-redox catalyst and, is in line with short process research dealing with biomass reagents. The supported oxorhenate active phase structure is still under debate, but seems to be highly dependent of (i) the rhenium oxide fast desorption rate (ii) and the support physical-chemical properties. In this study, we have, without any doubt, shown the presence of several entities which seem to be dependent of the rhenium loading. In the case of conformist catalysts, the massive rhenium oxide desorption during the reaction makes it very difficult to correlate structure and reactivity. So, we developed an alternate synthesis path and prepared a Re/SiO2 catalyst, which performances are among the best up to date. Thanks to an opening in situ study based on Raman spectroscopy and XAS in Operando conditions, it has been possible to suggest, for this active phase, a genuine structure looking like RexOy.nH2O. Other specificities, like the catalyst nano-structure are mentioned to explain the rhenium desorption restriction. During the reaction, the redox couple ReVI/ReIV is responsible of the mild methanol oxidation to formaldehyde, while the ReVII specie possesses enough acidity to rapidly condensate two methanol molecules with the absorbed formaldehyde to form dimethoxymethane.

This thesis was devised as a fundamental study of the Li-S system by the use of 7Li Magic Angle Spinning (MAS) Nuclear Magnetic Resonance (NMR), X-ray Absorption Near- Edge Structure (XANES), and Non-Resonant Inelastic X-ray Scattering (NRIXS). The first part of this thesis reports the first evidence of a stable solid-phase intermediate between elemental sulfur (α-S8) and Li2S, Li2S6, which can be used to understand deeper Li-S battery. The second part of this thesis is based on operando XANES measurements made in the Argonne Photon Source (APS).Linear combination fit (LCF) analyses are performed to interpret the data; and, noticeably, the distinction between short-chain and long-chain polysulfides can be made due to the use of proper reference materials. The results reveal the first detailed observation of typical sulfur redox chemistry upon cycling, showing how sulfur fraction (under-utilization) and sulfide precipitation impact capacity. It also gives new insights into the differences between the charge and discharge mechanisms, resulting in the hysteresis of the cycling profile. Operando XANEs were also performed on het-treated material, which exhibits a particular electrochemical signature, which has never explained. After a preliminary electrochemical study by potentiodynamic cycling with galvanostatic acceleration (PCGA), operando XANES measurements at the sulfur K-edge are performed on heat-treated PCNS. Noticeably, the difference in the XANES signatures of the pristine and the recharged state shows the irreversible process that occurs during the first discharges. At last, electrolytes are investigated by the compilation of quantitative physico-chemical parameters – viscosity, ionic conductivity, and solubility of Li2S and Li2S6 – on novel class of solvents that are glymes with non-polar groups and acetonitrile (ACN) complexed with LiTFSI. 1,1,2,2-Tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (HFE) is chosen to decrease their viscosities. (ACN)2:LiTFSI attracts particular attention because of the particularly low Li2Sn solubility and. Its good electrochemical performance when mixed with 50 vol% HFE. Operando XANES proves the formation of polysulfides in this electrolyte, although constrains imposed by this novel electrolyte to the XANES experiment complicate the data analysis. The low energy feature evolution shows a more progressive mechanism involved in this electrolyte, which could be linked to the particularly low Li2Sn solubility

Les catalyseurs de type oxorhénates supportés sont connus pour présenter de bonnes performances en oxydation ménagée du méthanol en diméthoxyméthane. La structure des oxorhénates fait encore débat dans la littérature mais semble fortement liée à la nature du support utilisé. Nous avons tenté de préciser la structure des oxorhénates sur deux types de supports, l’oxyde de titane et l’alumine. Nous avons également étudié l’influence de la structure des oxorhénates sur l’activité du catalyseur. L’identification des différentes espèces s’est faite principalement par l’utilisation de la spectroscopie Raman en conditions ex situ et in situ. Nous avons montré que l’aire spécifique du support est un paramètre primordial conditionnant la structure des oxorhénates. Ainsi, il apparait que sur des supports présentant une grande aire spécifique les oxorhénates sont des monomères tandis que sur des supports présentant des surfaces spécifiques plus petites, les oxorhénates ont une structure polymérique présentant des liaisons ReVII-O-ReVI. La différence de comportement des monomères et des polymères en oxydation ménagée du méthanol a été analysée en détail par des analyses XPS en conditions « quasi in situ » et des analyses par spectroscopie Raman operando. Nous avons ainsi montré que seules les espèces polymériques sont actives pour la production de diméthoxymethane : le couple rédox ReVI/ReIV est responsable de l’oxydation du méthanol en formaldéhyde tandis que l’espèce ReVII présente l’acidité appropriée pour la réaction de condensation de deux molécules de méthanol avec le formaldéhyde pour former le diméthoxyméthane. / Supported rhenium oxide catalysts are highly active for the direct conversion of methanol to dimethoxymethane. In the literature, the structure of rhenium oxide species is still under debate and seems to be highly dependent on the nature of the support. We have investigated the structure of rhenium oxide supported on titania and alumina and have studied the influence of rhenium oxide structure on the catalytic activity. We have mainly used ex situ and in situ Raman spectroscopy technique to identify the different species adsorbed on the supports. We have shown that specific surface area is a essential parameter which influences the oxorhenates structure. Oxorhenates have monomeric structure on supports with low specific surface area while on supports with high specific surface area, oxorhenates are polymers which present ReVII-O-ReVI bridges. The behaviors of monomeric and polymeric species in methanol partial oxidation have been studied by « quasi in situ » XPS spectroscopy and by operando Raman spectroscopy. Only polymeric species are active for dimethoxymethane production : redox couple ReVI/ReIV is responsible for methanol oxidation to formaldehyde and ReVII acidity is appropriate for acetalization of formaldehyde with methanol to dimethoxymethane.

Le développement de catalyseurs d’hydrotraitement bi-promus au cobalt et au nickel pourrait être une réponse à l’élimination du soufre dans les charges lourdes du pétrole. Les phases actives de ces catalyseurs sont des phases de type sulfures métalliques, "CoMoS" ou "NiMoS", formées lors de l’étape de sulfuration des précurseurs oxydes supportés sur alumine. Notre étude porte sur la préparation et caractérisation de catalyseurs d'hydrotraitement bi-promus préparés à partir de sels de cobalt/nickel de l’hétéropolyanion d’Anderson [Co2Mo10O38H4]6-. Différents prétraitements ont été effectués (séchage, déshydratation et calcination) pour mieux comprendre l’effet de la structure oxyde initiale sur la formation de la phase active et corréler l’évolution des propriétés catalytiques aux changements de structure locale des catalyseurs. Les phases actives ont été caractérisées par XPS et TEM et reliées aux performances catalytiques. Les récents développements dans le domaine de la spectroscopie d’absorption X (XAS) avec une résolution temporelle de quelques centaines de ms, notamment sur la ligne de lumière ROCK au synchrotron SOLEIL, permettent d’obtenir une description complète et fine du traitement en température à 400°C sous 10% H2S/H2 requis pour activer le catalyseur. L’analyse en composantes principales (ACP) et la résolution de courbes multivariées (MCR-ALS) ont été utilisées dans ce travail pour décomposer la matrice des données expérimentales XAS obtenues durant la sulfuration et accéder aux spéciations du molybdène, du nickel et du cobalt. Ces spéciations sont en particulier discutées en regard de la nature du précurseur oxyde et de son prétraitement avant activation. / The development of bi-promoted cobalt and nickel hydrotreating catalysts could be a response to the removal of sulfur from heavy petroleum products. The active phases of hydrotreating catalysts are metal sulphide phases called "CoMoS" or "NiMoS", formed during the sulfidation of the oxide precursors supported on alumina. Our study focuses on the preparation and characterization of bi-promoted hydrotreating catalysts prepared from cobalt/nickel salts of Anderson's dimeric heteropolyanion [Co2Mo10O38H4]6-. Various pretreatments were carried out (drying, dehydration and calcination) in order to better understand the effect of the initial oxide structure on the formation of the active phase. The evolution of the catalytic properties can then be correlated to the changes in the local structure of the catalysts. The active phases were characterized by XPS and TEM and related to the catalytic performances. Recent developments in the field of sub-seconds time resolution for X-ray absorption spectroscopy (XAS), particularly on the ROCK beamline at SOLEIL synchrotron, provide a complete and fine description of the sulfidation at 400°C under 10% H2S/H2 required to activate the catalyst. Principal Component Analysis (PCA) and Multivariate Curve Resolution (MCR-ALS) were used to decompose the experimental matrix of the XAS data obtained during sulfidation to get the speciation of molybdenum, nickel and cobalt. These speciations are in particular discussed in the light of the nature of the oxide precursor and the pretreatment applied before activation.

Dans ce travail, l'oxydation totale du toluène et de la butanone sur des catalyseurs à base d'or et de palladium supportés sur un oxyde de titane macro-mésoporeux a été étudiée. Nous avons tout d'abord discuté l'effet bénéfique du dopage (V, Nb, Fe, Ce, Ni) du support TiO₂ macro-mésoporeux sur l'activité catalytique de ce matériau. Une interaction existant entre le dopant et le support a joué un rôle important dans l'augmentation de l'activité des matériaux dopés par rapport à celle du titane pure. Une phase active constituée d'or et/ou de palladium a été ensuite déposée sur les solides dopés et la performance des catalyseurs préparés a été suivie dans l'oxydation du toluène et de la butanone. La présence de la phase active a assuré une sélectivité totale pour le CO₂ avec la formation de sous-produits en particulier dans l'oxydation de la butanone. Par ailleurs, l'oxydation du mélange des deux COVs a montré l'existence d'une compétition entre les molécules en terme d'adsorption sur le support, ce qui a favorisé leur éliminationà de basses températures. Une étude operando DRIFT réalisée dans l'oxydation du mélange toluène/butanone a vérifié la présence de cette compétition. / In this work, the total oxidation of toluene and butanone over noble metal loaded doped titanium oxide supports has been investigated. The study focused firstly on showing the effect of doping a macro-mesoporous titania with metal oxide supports in the oxidation of VOCs. It seems that doping enhances the performance of the used solid in VOC oxidation reactions. We proved that this increase can be directly related to interactions between the dopants and the support. Then, an active phase made of noble metals has been loaded onto both best performing doped materials as to study the role played by this active phase in oxidation reactions. It appears that the presence of noble metals increases the catalytic performance of prepared materials and reduces the formation of toxic by-products such as CO. Butanone elimination proved to be harder that toluene oxidation, whereas when catalysts were exposed to a mixture of toluene and butanone, the presence of both VOCs prompted a competitive effect in the adsorption of both molecules onto the support, which facilitated their oxidation rate. An FTIR operando study illustrated the changes occuring in used catalysts in the oxidation of the VOC mixture, and verified the existence of this competitive effect.

Αντικείμενο της παρούσας μελέτης ήταν η χρήση της φασματοσκοπικής μεθόδου Raman για τη διερεύνηση των δομικών και δονητικών ιδιοτήτων καταλυτικών συστημάτων βασιζόμενα σε οξείδια μετάλλων μετάπτωσης (V2O5, MoO3). Η δυνατότητα της μεθόδου Raman να εφαρμοστεί κάτω από in situ ελεγχόμενες συνθήκες, όπως για παράδειγμα κάτω από συνθήκες καταλυτικής λειτουργίας, επέτρεψε το χαρακτηρισμό των καταλυτών που μελετήθηκαν κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες αντίδρασης, για διάφορες εφαρμογές καταλυτικών διεργασιών. Πιο συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η μοριακή δομή των συμπλόκων βαναδίου που είναι παρόντα στην καταλυτικά ενεργή, υγρή φάση βιομηχανικών καταλυτών παραγωγής θειϊκού οξέος (Haldor Topsøe AS, Denmark), διενεργώντας φασματοσκοπικές in situ μετρήσεις Raman σε διαφορετικές αέριες συνθήκες και θερμοκρασίες λειτουργίας. Παρουσία Ο2, η επιφάνεια των καταλυτών καλύπτεται από ένα τηγμένο άλας στο οποίο κυριαρχεί το μονοπυρηνικό σύμπλοκο VVO2(SO4)23-, ενώ ανιχνεύτηκαν επίσης και κρυσταλλικά θειϊκά άλατα. Κατόπιν ενεργοποίησης των δειγμάτων σε ατμόσφαιρα SO2/O2/N2 στους 480oC, η υγρή φάση των καταλυτών φαίνεται ότι αποτελείται από ομάδες (VVO)2O(SO4)44- (σε διμερείς ή δι-πυρηνικούς σχηματισμούς) και ομάδες VVO2(SO4)23-. Κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, τα φάσματα Raman είναι ενδεικτικά της αναγωγής VV®VIV και του σχηματισμού του τηγμένου συμπλόκου VIVO(SO4)22-, το οποίο καθώς συσσωρεύεται προκαλεί καταβύθιση κρυσταλλικών συμπλόκων VIV, ¨ξεπλένοντας¨ έτσι την ενεργή φάση από είδη βαναδίου. Eίναι η πρώτη φορά που εξετάζεται η μοριακή δομή των συστατικών που αποτελούν την καταλυτικά ενεργή φάση των βιομηχανικών καταλυτών για την οξείδωση του SO2, με χρήση in situ φασματοσκοπίας Raman. Μια σειρά από στηριζόμενους καταλύτες V2O5 σε TiO2 και ZrO2 εξετάστηκε επίσης με in situ φασματοσκοπία Raman, κάτω από οξειδωτικές και αναγωγικές συνθήκες, καθώς επίσης και κάτω από συνθήκες αντίδρασης οξειδωτικής αφυδρογόνωσης του προπανίου. Η μοριακή δομή των επιφανειακών ειδών βαναδίου σχετίζεται με το σχηματισμό απομονωμένων μονομερών ειδών και μεγαλύτερων πολυμερικών ομάδων βαναδίου, με αύξηση της φόρτισης, ενώ για καλύψεις μεγαλύτερες της μονοστρωματικής σχηματίζονται κρυσταλλικό V2O5 και ZrV2O7 στην TiO2 και ZrO2, αντίστοιχα. Η εξέταση των φασμάτων Raman κάτω από συνθήκες μόνιμης κατάστασης αντίδρασης του προπανίου, είναι ενδεικτική της μερικής αναγωγής των επιφανειακών ειδών βαναδίου ενώ κάτω από αναγωγικές συνθήκες C3H8, η αναγωγή είναι περισσότερο εκτεταμένη. Ο ρυθμός οξειδωτικής αφυδρογόνωσης (ανά άτομο V) βρέθηκε να αυξάνει με τη θερμοκρασία αντίδρασης ενώ για σταθερή θερμοκρασία μειώνεται με αύξηση της επιφανειακής πυκνότητας V. Η επίδραση της παρουσίας υδρατμών στο αέριο μίγμα τροφοδοσίας στα φάσματα Raman των καταλυτών, διερευνήθηκε επίσης για ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Η ανάγκη να κατανοηθεί πλήρως η συμπεριφορά των καταλυτών κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες καταλυτικής λειτουργίας και να καταστρωθούν αξιόπιστοι συσχετισμοί μεταξύ μοριακής δομής και καταλυτικής ενεργότητας και εκλεκτικότητας, οδήγησε στην ανακατασκευή της πειραματικής κυψελίδας αντίδρασης – Raman και στην παράλληλη χρήση αέριας χρωματογραφίας για την ταυτοποίηση της σύστασης εξόδου του αερίου ρεύματος από την κυψελίδα, επιτρέποντας την ταυτόχρονη συλλογή φασματοσκοπικών και καταλυτικών δεδομένων από το ίδιο δείγμα καταλύτη και κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες λειτουργίας (operando φασματοσκοπία Raman). Η βελτιωμένη αυτή τεχνική, operando Raman-GC, χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση της επίδρασης του φορέα (ZrO2, Al2O3) στις δομικές και καταλυτικές ιδιότητες στηριζόμενων καταλυτών MoO3, στην αντίδραση οξειδωτικής αφυδρογόνωσης του αιθανίου. Η εξέταση των φασμάτων Raman κάτω από συνθήκες Ο2 έδειξε ότι το ΜοΟ3 παραμένει υψηλά διεσπαρμένο στο φορέα ZrO2 έως το όριο της μονοστρωματικής κάλυψης, σχηματίζοντας μονομερή και πολυμερή επιφανειακά είδη ενώ ίχνη της μεικτής κρυσταλλικής φάσης Zr(MoO4)2 ανιχνεύονται για φορτίσεις πάνω από τη μονοστρωματική. Η διασπορά των ειδών Μο φαίνεται ότι είναι λιγότερο αποτελεσματική στο φορέα Al2O3, καθώς ανιχνεύεται κρυσταλλικό Al2(MoO4)3 πριν από τη συμπλήρωση μονομοριακού στρώματος ΜοΟx. H επιλογή συγκεκριμένου υποστρώματος για τη διασπορά των ειδών Μο φάνηκε επίσης να είναι καθοριστική για την καταλυτική ενεργότητα των δειγμάτων, καθώς οι διαφορές στις τιμές TOF ήταν ως και μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερες για τους στηριζόμενους καταλύτες MoO3/ZrO2. Οι διαφορές ως προς τη δομή και την καταλυτική συμπεριφορά ανάμεσα στα δείγματα από τις δύο σειρές καταλυτών εξετάζονται στη βάση αυτής της νέας φασματοσκοπικής μεθοδολογίας. / The present study is concerned with the application of in situ Raman spectroscopy on studying the molecular structure and the properties of catalytic systems based on transition metal oxides (V2O5, MoO3), under various gas atmospheres and operating temperatures. In situ Raman spectroscopy has been used to study the molecular structure of the vanadium complexes present in the active liquid phase of industrial supported molten salt sulfuric acid catalysts. Under oxidizing conditions (O2, 480oC) the surface of the catalysts is covered by a molten salt in which the mononuclear VVO2(SO4)23- complex (in monomeric or oligomeric form) is predominant. Crystalline sulfate salts are also detected. After being subjected to activation (i.e. in SO2/O2/N2 atmosphere at 480oC), the molten phase of the catalysts is shown to consist of (VVO)2O(SO4)44- (dimeric or binuclear fragments of oligomers) and VVO2(SO4)23-. Below a certain temperature, the Raman data are indicative of VV®VIV reduction and formation of the molten VIVO(SO4)22- complex, the accumulation of which results in precipitation of VIV crystalline compounds and depletion of the active phase in terms of vanadium. The molecular structure of the components constituting the active liquid phase of industrial SO2 oxidation catalysts is for the first time studied by in situ Raman spectroscopy. A series of supported vanadium oxide catalysts on TiO2 and ZrO2 supports has also been examined by means of in-situ Raman spectroscopy, under oxidizing, reducing and ODH of propane conditions, in order to establish molecular structure-reactivity/selectivity relations for the catalysts. The molecular structures of the surface V2O5 species evolve from monovanadates to larger two-dimensional polyvanadate domains, as the surface coverage increases, while for surface densities exceeding the theoretical monolayer, bulk V2O5 and ZrV2O7 are formed on the TiO2 and ZrO2 respectively. The evaluation of the Raman spectra taken under steady state reaction conditions suggests a partial reduction of the surface species, whereas under a C3H8 environment, the reduction is much more extensive. Oxidative dehydrogenation rates (per V-atom) were found to increase linearly with the operating temperature, while for a given temperature were found to decrease with increasing surface density. The effect of water vapors on the surface vanadium oxide species over a wide temperature range was also investigated. The need to fully understand the behavior of the catalytic materials during realistic reaction conditions and to establish accurate structure – activity/selectivity relationships, has led to the reconstruction of the experimental Raman - reaction cell with the simultaneous use of on line gas chromatography, allowing the simultaneous collection of spectroscopic and catalytic performance data, from the same catalyst sample under the same operating conditions (operando Raman spectroscopy). The effect of the supporting material (ZrO2, Al2O3) on the structural and catalytic properties of MoO3 supported catalysts for ethane ODH was then explored, by means of the combined spectroscopic technique operando Raman-GC. The evolution of the Raman spectra under oxidising conditions showed that molybdena is highly dispersed on ZrO2 support up to approximately a monolayer forming both monomeric and polymeric MoOx surface species and only traces of Zr(MoO4)2 above monolayer. The dispersion of Mo species was shown to be less extended in the case of Al2O3 support, as bulk Al2(MoO4)3 clusters form before the formation of a polymolybdate monolayer. Switching between the two selected supporting materials was also shown to be determinative for the catalytic efficiency of the samples during ethane ODH reaction conditions, as the differences between the TOF values of the samples were over than an order of magnitude higher in the case of MoO3/ZrO2 supported catalysts. The differences in structure and catalytic activity between the two sets of catalysts are discussed on the basis of this new spectroscopic technique.

This thesis was devised as a fundamental study of the Li-S system by the use of 7Li Magic Angle Spinning (MAS) Nuclear Magnetic Resonance (NMR), X-ray Absorption Near-Edge Structure (XANES), and Non-Resonant Inelastic X-ray Scattering (NRIXS). The first part of this thesis is dedicated to the synthesis of solid state linear chain polysulfides in order to use them as reference compounds in the following experiments. 7Li NMR shows that Li2S and Li2S6 exhibit single but different Li environments, while the others stoichiometry targeted consist of a mixture of them. This is the first report of a stable solid-phase intermediate between elemental sulfur (α-S8) and Li2S. The second part of this thesis is based on operando XANES measurements made in the Argonne Photon Source (APS). Linear combination fit (LCF) analyses are performed to interpret the data; and, noticeably, the distinction between short-chain and long-chain polysulfides can be made due to the use of proper reference materials. The results reveal the first detailed observation of typical sulfur redox chemistry upon cycling, showing how sulfur fraction (under-utilization) and sulfide precipitation impact capacity. It also gives new insights into the differences between the charge and discharge mechanisms, resulting in the hysteresis of the cycling profile. Heat-treated PCNS/S exhibits a particular electrochemical signature, which has never explained. Operando XANES measurements at the sulfur K-edge are performed on heat-treated PCNS. Noticeably, the difference in the XANES signatures of the pristine and the recharged state shows the irreversible process that occurs during the first discharges. At last, electrolytes are investigated by the compilation of quantitative physico-chemical parameters on novel class of solvents that are glymes with non-polar groups and acetonitrile (ACN) complexed with LiTFSI. (ACN)2:LiTFSI attracts particular attention because of the particularly low Li2Sn solubility and. Its good electrochemical performance when mixed with 50 vol% HFE. Operando XANES proves the formation of polysulfides in this electrolyte, and the low energy feature evolution shows a more progressive mechanism involved in this electrolyte, which could be linked to the particularly low Li2Sn solubility.