Dans les batteries ion lithium, la présence d’électrolytes organiques volatiles et inflammables engendre des problèmes récurrents de sécurité. Une possible solution consiste à les remplacer par des sels fondus liquides à température ambiante, les liquides ioniques (LI), présentant une tension de vapeur négligeable et sont considérés comme flamme retardant. Leur utilisation avec des électrodes carbone (les plus usitées dans les batteries commerciales) nécessitent la présence d’un additif pour améliorer les performances des batteries.Le but de cette thèse était de déterminer le rôle de cet additif par des méthodes analytiques et de la modélisation. Tout d’abord, l’impact de cet additif sur la solvatation et la diffusion des sels de lithium a été étudié par RMN 2-D [NOE et HOESY {1H-7Li}, {1H-19F}, et la sphère de coordination du cation lithium a été simulée par dynamique moléculaire. Puis des études électrochimiques ont été développées notamment le cyclage galvanostatique à potentiel sélectionné et le cyclage voltamétrique afin de déterminer la capacité de la batterie et d’étudier les étapes d‘insertion du cation lithium au cours de la première étape de réduction. Cette étape a également été analysée par impédance électrochimique. En complément, une analyse par XPS (spectrométrie photoélectronique X) sur les électrodes post-mortem de piles arrêtées aux potentiels déterminés par impédance, a permis de caractériser les composés chimiques formés à la surface des électrodes au cours de la première réduction, mais également après plusieurs cycles de charge/décharge / In lithium ion batteries, the commercial organic electrolytes induce difficulties in the manufacturing and the use of the battery (volatile and flammable components). There are active research to eliminate these safety problems, one of the approach is the replacement of conventional battery electrolytes with room temperature ionic liquids (RTILs), which exhibit negligible vapor pressure, low flammability, high flash point. The use of ILs based electrolytes for carbon based electrodes requires presence of organic additive for improving the cyclic performance. The aim of this thesis was to determine the exact role of the organic additive through experimental and computer simulation methodologies. Its impact onto the solvation and transportation of lithium cation was investigated through {1H-7Li}, {1H-19F} NOE correlations (HOESY), and pulsed field gradient spin-echo (PGSE) NMR experiences and Molecular Dynamic simulation. The electrochemical studies were developed such as electrochemical window, galvanostatic cycling with potential limitation and cycling voltammetry showing the obtained capacity of the cell and [Li+] insertion stages during the first reduction step. Moreover, the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) during the first reduction process, and XPS analysis of post mortem Gr electrodes stopped at chosen potential during the first reduction process, as well as, after the several charge/discharge cycles were used

Grâce à des propriétés physiques spécifiques différentes des matériaux massifs, les nanostructures ont mené à une rupture technologique importante. Le silicium étant le matériau prédominant en microélectronique, et du fait d’un rapport surface/volume important, les nanofils de silicium sont prometteurs dans de nombreux domaines d’applications comme l’optoélectronique ou les capteurs biologiques. Néanmoins les techniques de synthèse actuellement utilisées sont encore relativement complexes à mettre en œuvre et coûteuses et il existe encore un écart énorme entre la synthèse et la mise au point de démonstrateurs en laboratoire et la réalisation de dispositifs fonctionnels et commercialisables.Ce travail de thèse porte sur l’étude d’une nouvelle technique de synthèse bas coût, l’électrodépôt en liquide ionique, pour obtenir des nanofils de silicium ou de silicium incorporant des ions Terre-Rare avec des propriétés d’émission dans le visible ou le proche infrarouge. Un des objectifs de cette thèse étaient de comprendre l’influence des différents paramètres d’électrodépôt sur la croissance de films minces de silicium pur et de voir si il était possible de synthétiser par cette voie des films Silicium/terbium, le terbium émettant dans le visible, et Silicium/Erbium, l’erbium émettant à 1,55 µm. Grâce aux études électrochimiques et aux caractérisations structurales des films minces, nous avons montré que ce mode de synthèse permettait d’obtenir des films minces de silicium amorphe de très bonne qualité et sans impureté avec une croissance laminaire. En jouant sur le potentiel de dépôt, la température et la concentration en espèces actives, nous avons pu maîtriser et optimiser les conditions de croissance, ce qui nous a permis ensuite d’obtenir des nanofils de silicium amorphe avec des diamètres allant de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres en utilisant des membranes nanoporeuses comme moule. Ces nanofils sont passivés par une couche d’oxyde de surface après dissolution de la membrane et remise à l’air. Une propriété intéressante de ces nanofils de silicium amorphe est qu’ils possèdent une forte luminescence dans le rouge à température ambiante, en particulier pour des diamètres de l’ordre de 100 nm. Des études optiques et structurales ont permis de montrer que cette émission provenait du caractère amorphe des nanofils et qu’un mécanisme de recombinaison entre queues de bande et le confinement spatial des porteurs dans les nanofils permettait d’expliquer l’émission intense observéeLa 2ème partie importante de la thèse portait sur la possibilité de réaliser des films et des nanofils de type silicium / terres rares. Nous avons montré pour la 1ère fois, qu’il était de synthétiser des co-dépôts simultanés de silicium et d’éléments de terre rare pour le Tb et l’Er sous forme de films minces. En faisant varier le potentiel de dépôt, nous avons mis en évidence qu’il était possible de faire varier la concentration de terre-rare incorporée de quelques % à 20%. Les études structurales montrent que cette incorporation se fait de façon homogène dans l’épaisseur des films et sans changer la morphologie. Grâce à cette homogénéité, les films minces obtenus émettent à température ambiante et aux longueurs d’onde attendues pour les ions terre-rare. Suite à cette étude sous forme de films minces, nous avons ensuite réalisé la croissance de nanofils Si/Tb et Si/Er en utilisant des membranes nanoporeuses. Nous avons obtenu des nanofils de silicium incorporant du terbium ou de l’erbium avec des concentrations pouvant varier. Les nanofils ainsi synthétisés sont également homogènes en composition sur toute la longueur et émettent avec des fortes intensités à température ambiante pour le terbium. Pour les nanofils Si/Er, l’intensité d’émission est faible à température ambiante mais un recuit thermique permet d’activer les ions terbium et d’obtenir une émission intense à température ambiante. / Thanks to their specific physical properties different from the massive materials, nanostructured materials have led to important technological progress. Since silicon is the predominant material in microelectronics, and due to a large surface to volume ratio, silicon nanowires are promising in many fields of applications such as optoelectronics or biological sensors. Nevertheless, the synthesis techniques currently used are still relatively complex to implement and thus costly and there is still a huge gap between the synthesis and the development of laboratory demonstrators and the realization of functional and marketable devices.This thesis work deals with the study of a new low cost synthesis technique, the electrodeposition in ionic liquid, to grow nanowires of silicon or silicon incorporating Earth-Rare ions with emission properties of emission in the visible or the near infrared range. One of the objectives of this thesis was to understand the influence of the different electrodeposition parameters on the growth of pure silicon thin films and to see if it was possible to synthesize silicon/terbium films, the terbium emitting in the visible, and Silicon/Erbium, erbium emitting at 1.55 μm. Thanks to different electrochemical studies and structural characterization of thin films, we have shown that this mode of synthesis makes it possible to obtain thin films of amorphous silicon of very good quality and without impurity. By controlling the deposition potential, temperature, and active species concentration, we were able to control and optimize the growth conditions, which allowed us to obtain amorphous silicon nanowires with diameters ranging from a few tens to a few hundred nanometers using nanoporous membranes as a mold. These nanowires are passivated by a surface oxide layer after dissolution of the membrane and exposition to air. An interesting property of these amorphous silicon nanowires is that they have a high luminescence in the red range at room temperature, in particular for diameters in the order of 100 nm. Optical and structural studies showed that this emission was due to the amorphous nature of the nanowires and that a mechanism of band-tail recombination and the spatial confinement of the carriers whitin the nanowires made it possible to explain the intense emission observed.The second important part of the thesis was the possibility of making films and nanowires of the silicon/rare earth type. We have shown for the first time that it was possible to synthesize simultaneous co-deposited films of silicon and rare earth elements for Tb and Er. By varying the deposition potential, we have shown that it is possible to tune the incorporated rare earth concentration by a few % to 20%. The structural studies show that this incorporation is carried out homogeneously in the thickness of the films and without changing the morphology. Thanks to this homogeneity, the thin films obtained emit at ambient temperature and at the expected wavelengths for the rare earth ions. Following this study as thin films, we then carried out the growth of Si/Tb and Si/Er nanowires using nanoporous membranes. We have obtained nanowires of silicon incorporating terbium or erbium with varying concentrations. The nanowires thus synthesized are also homogeneous in composition over the entire length and emit with high intensities at ambient temperature for terbium. For Si/Er nanowires, the emission intensity is low at ambient temperature but thermal annealing makes it possible to activate the terbium ions and to obtain an intense emission at ambient temperature.

La synthèse de nano-object connait un essor grandissant depuis ces 20 dernières années. Les études fondamentales de système a permis (et permet encore) de trouver de nombreux domaines d'application aux nanotechnologies, que ces soit en catalyse, en électronique, dans le domaine biomédical...La thèse se déroule autour de deux axes de recherches: la synthèse et la description des propriétés magnétique de nanoparticules de fer stabilisé par des liquides ioniques, et la synthèse, l'étude magnétique, et leur évaluation en tant qu'agent de contraste et médiateur d'hyperthermie de nanoparticules de de ferrite fonctionnalisé par des dérivées carbohydrates. / The synthesis of nano-object is growing in the last 20 years. Basic research system has (and still allows) to find many areas of application for nanotechnology that is in catalysis, electronics, biomedical ...The thesis proceeds along two lines of research: the synthesis and the description of magnetic properties of iron nanoparticles stabilized by ionic liquids, and the synthesis, magnetic study, and their evaluation as a contrast agent and hyperthermia mediator of functionalized carbohydrate derivatives ferrite nanoparticles.

This thesis work aims the ionic liquid pretreatment of peanut shells for co-production of glucose as fermentable sugar and lignin, considering a multi product perspective. The effects of ionic liquid type and pretreatment time period on the sugar and lignin yields were investigated, as the particle size and temperature parameters were determined in the preliminary studies. Peanut shells were pretreated at constant temperature, 150 oC, for 5, 15 and 30 minutes with 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate and for 15, 30 and 60 minutes with 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride. The pretreated peanut shells were then subjected to enzymatic hydrolysis in order to produce fermentable sugars, mostly, glucose. The solid residue obtained upon enzymatic hydrolysis was analyzed in terms of lignin quantity. 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate pretreatment for 15 minutes resulted in the maximum reducing sugar and lignin yields / 28 g of reducing sugar and 20 g of solid residue with 70% lignin were obtained per 100 g of peanut shells. Higher pretreatment time resulted in lower yields. Moreover, no optimal time period for 1-ethyl-3- methylimidazolium chloride pretreatment was obtained, since reducing sugar and lignin yields increased as the time period increased. Also all reducing sugar and lignin yields were lower than that obtained with 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate. Lignin obtained upon enzymatic hydrolysis of 1-ethyl-3-methylimidazolium acetate pretreated peanut shells were characterized by SEM, FTIR, TGA and XRD analyses, which also showed the morphological and structural effects of pretreatment and enzymatic hydrolysis on peanut shells / and used as concrete admixture, which increased the flow of the concrete by 6%.

This thesis studies the performance of solid polymer lithium batteries from room temperature to elevated temperatures using mainly electrochemical techniques, with emphasis on the bulk properties of the polymer electrolyte and the electrode-electrolyte interfaces. Its contributions include: 1) Demonstrated the relationship between polymer segmental motion and ionic conductivity indeed has a Vogel-Tammann-Fulcher (VTF) dependence, and improved the conductivity of the graft copolymer electrolyte (GCE) by almost an order of magnitude by changing the ion-conducting block from poly(oxyethylene) methacrylate (POEM) to a block with a lower glass transition temperature \((T_g)\) poly(oxyethylene) acrylate (POEA). 2) Identified the rate-limiting step in the battery occurs at the cathode-electrolyte interface using both full cell and symmetric cell electrochemical impedance spectroscopy (EIS), improved the battery rate capability by using the GCE as both the electrolyte and the cathode binder to reduce the resistance at the cathode-electrolyte interface, and used TEM and SEM to visualize the polymer-particle interface (full cells with \(LiFePO_4\) as the cathode active material and lithium metal as the anode were assembled and tested). 3) Applied the solid polymer battery to oil and gas drilling application, performed high temperature (up to 210°C) cycling (both isothermal and thermal cycling), and demonstrated for the first time, current exchange between a solid polymer electrolyte and a liquid lithium metal. Both the cell open-circuit-voltage (OCV) and the overall GCE mass remained stable up to 200°C, suggesting that the GCE is electrochemically and gravimetrically stable at high temperatures. Used full cell EIS to study the behavior of the various battery parameters as a function of cycling and temperature. 4) Identified the thermal instability of the cell was due to the reactivity of lithium metal and its passivation film at high temperatures, and used Li/GCE/Li symmetric cell EIS to study the thermal stability of the anode-electrolyte interface, which was responsible for the fast capacity fade observed at high temperatures. 5) Proposed a new electrolyte material and a new battery design called polymer ionic liquid (PIL) battery that can dramatically improve the safety, energy density, and rate capability of rechargeable lithium batteries. / Engineering and Applied Sciences

In the current context of rapidly depleting petroleum resources and growing environmental concerns, it is important to develop materials to harvest and store energy from renewable and sustainable sources. Hydrogen has the potential to be an alternative energy source, since it has higher energy content than petroleum. However, since hydrogen has very low volumetric energy density, hence it is important to design nano porous materials which can efficiently store large volumes of hydrogen gas by adsorption. In this regard carbon nanotube and Metal Organic Framework (MOFs) based materials are worth studying. Ionic liquids (IL) are potential electrolytes that can improve energy storage capacity and safety in Li ion batteries. Therefore it is important to understand IL's thermodynamic and transport properties, especially when it is in contact with electrode surface and mixed with Li salt, as happens in the battery application. This dissertation presents computation and simulation based studies on: 1. Hydrogen storage in carbon nanotube scaffold. 2. Mechanical property and stability of various nanoporous Metal Organic Frameworks. 3. Thermodynamic and transport properties of [BMIM][BF4] ionic liquid in bulk, in Li Salt mixture, on graphite surface and under nanoconfinement. In the first study, we report the effects of carbon nanotube diameter, tube chirality, tube spacer distance, tube functionalization and presence of Li on hydrogen sorption capacity and thermodynamics at different temperature and pressure. In the second one, we observe high pressure induced structural transformation of 6 isoreticular MOFs: IRMOF-1. IRMOF-3, IRMOF-6, IRMOF-8, IRMOF-10 and IRMOF-14, explore the deformation mechanism and effect of Hydrogen inside crystal lattice. In the third study, we observe the equilibrium thermodynamic and transport properties of [BMIM][BF4] ionic liquid. The temperature dependence of ion diffusion, conductivity, dielectric constant, dipole relaxation time and viscosity have been observed and found similar behavior to those of supercooled liquid. The ion diffusion on graphite surfaces and under nanoconfinement was found to be higher compared to those in bulk.

Many countries including Sweden are planning to replace fossil fuel-based vehicles with electric vehicles. This is one of the main reasons that companies all over the world are investing more and more money in the development of lithium-ion batteries, for electric vehicles. There are several different risks with the conventional lithium-ion batteries including the high flammability of the electrolytes, which can lead to high heat release rate, risk of explosion and high toxicity in the form of hydrogen fluoride gas. The hydrogen fluoride is lethal even at low concentration. These potential risks are based on the structure of the flammable electrolytes inside the lithium-ion batteries. Because of that, there is a big interest in finding an electrolyte with similar battery performance and better fire properties as compared with the conventional electrolytes commercially available on the market.   The intent with this work is to investigate the fire properties of different halogen-free electrolytes. The two newly developed salts Li[MEA] & Li[MEEA] as well as the available salt Li[BOB] will be compared with the commercially used halogen-containing electrolyte based on lithium hexafluorophosphate (LiPF6) salt.   Physical and electrochemical properties of these electrolytes such as solubility in different organic solvents, density, viscosity, ionic conductivity and electrochemical window will be studied in the first step. The electrolytes showing the most promising electrochemical properties will then be further investigated regarding fire properties, heat release rate, flash point and toxicity. The electrolytes will be compared with the conventional electrolyte containing LiPF6.   Li[BOB] was not dissolved in the solvents with the strongest dissolving properties, therefore it was not further tested. The electrolytes that were tested regarding fire properties were Li[MEA] and Li[MEEA] with the organic solvents of ethylene carbonate and dimethyl carbonate. Ionic liquid was also added to Li[MEEA] to investigate how it affected the fire properties for the electrolyte.   When examine the heat release rate for the newly developed salts, as well as LiPF6, it was observed that the highest peaks were similar to each other. The combustion time for the electrolyte containing LiPF6 was noticeable shorter than for the other three electrolytes. This is likely due to the fluorine content in LiPF6. The electrolytes undergoing the cone calorimeter test in this work was not charged so therefore the peaks of the heat release rate may look different. For further studies, it could be of interest to construct a complete lithium-ion battery using these electrolytes to see how the battery cells and the electrolytes behave in different set of charges.   Another essential point, is the ignition time that showed varied times for the tests containing Li[MEEA] together with the organic solvents and with the added ionic liquid. This is an interesting result that probably can be explained by the homogeneity of the electrolyte. The homogeneity was only verified with the help of the human eye and therefore it may not be fully dissolved.   The flashpoint for the different mixtures of electrolytes showed values of interest where the electrolyte containing ionic liquid that showed the lowest flashpoint. This was unexpected concerning that these types of additives are common for improving the fire resistance capacity.   The key aspect discussed when analyzing the result from the FTIR spectroscopy was how the Li[MEA], Li[MEEA] and LiPF6 salts varied. The ones that did not have any fluorine in its structure resulted in production of carbon dioxide. However, the electrolyte containing fluorine resulted, as expected, in values of hydrogen fluorine and carbon dioxide but also other combustion products that was hard to determine.   These salts and electrolytes need to be further studied and tested to see if it is possible to use them in an actual lithium-ion battery. Besides further tests of the salts and ionic liquid tested in this work, it is important that the work with conventional and newly developed electrolytes aims for improvements in fire resistance as well as toxicity. / Många länder inklusive Sverige planerar att byta ut fordon som använder fossila bränslen mot elfordon. Detta är en av huvudanledningarna till att företag runt om i världen satsar mer och mer pengar på att utveckla litiumjonbatterier för elfordon. Litiumjonbatterier medför en del risker såsom hög värmeutveckling, brandfarliga vätskor, risk för explosion och toxiska gaser samt produceringen av vätefluorid. Redan vid låga koncentrationer är vätefluoriden dödlig. Riskerna baseras på strukturen av elektrolyten som finns i litiumjonbatteriet. På grund av dessa risker så är det intressant att utveckla en elektrolyt som har liknande batteriegenskaper men bättre brandegenskaper än de elektrolyter som finns och används idag.   I detta arbete har brandegenskaper för olika halogenfria elektrolyter testats. De två nyutvecklade salterna Li[MEA] & Li[MEEA] har tillsammans med det existerande saltet Li[BOB] jämförts med det kommersiella saltet litium hexafluorfosfat (LiPF6) som används till många elektrolyter i dagens litiumjonbatterier.   De fysiska och elektrokemiska egenskaperna såsom löslighet i organiska lösningsmedel, densitet, viskositet, jonkonduktiviet och elektrokemiskt fönster har testats för elektrolyterna i den första delen av arbetet. Elektrolyterna som uppvisade de mest lovande elektrokemiska egenskaper har även testats med avseende på brandegenskaperna, så som värmeutveckling, flampunkt och toxicitet. Elektrolyterna jämfördes mot den vanligt förekommande elektrolyten som innehåller litium hexafluorfosfat.   Saltet Li[BOB] löstes inte i lösningsmedel med bra lösningsegenskaper, vilket var anledningen till att det inte genomfördes ytterligare tester på den. Elektrolyterna som det genomfördes tester på avseende på brandegenskaper innehöll Li[MEA] och Li[MEEA] tillsammans med de organiska lösningsmedlen etylenekarbonat och dimetylkarbonat. För Li[MEEA] tillsattes det även jonvätska för att undersöka hur jonvätskan påverkar brandegenskaperna för elektrolyten.   När värmeutveckling för det nyutvecklade salterna och LiPF6 undersöktes, så uppvisade de liknande värden. Anmärkningsvärt var dock att förbränningstiden för LiPF6 varade under en kortare period i jämförelse med de tre andra elektrolyterna. En trolig orsak till detta är att LiPF6 innehåller fluor. Elektrolyterna som provades i konkalorimeter i detta arbete var ej laddade, vilket kan medföra att värmeutvecklingen kan se annorlunda ut vid ett laddat tillstånd. För framtida studier kan det vara intressant att konstruera ett komplett litiumjonbatteri, för att se hur elektrolyterna fungerar och påverkas, beroende på laddningsnivå.   Antändningstiden för Li[MEEA] blandat med de organiska lösningsmedlen tillsammans med jonvätska varierade mycket. Detta är ett intressant resultat, som förmodligen kan förklaras av homogeniteten på elektrolyten. Homogeniteten verifierades enbart okulärt, vilket inte säkerställer att jonvätskan har löst sig fullständigt i elektrolyten.   Resultat för flampunkten för det olika elektrolyterna var intressant, då elektrolyten som innehöll jonvätska visade på lägst flampunkt. Detta var oväntat då tillsatser som jonvätska brukar förbättra brandmotståndet.   Resultatet för FTIR-spektroskopin analyserades för att se hur Li[MEA], Li[MEEA] och LiPF6 skiljde sig åt. De elektrolyter som inte innehöll fluor, producerade bara koldioxid. Medans elektrolyten som innehöll fluor producerade, som väntat, vätefluorid och koldioxid, men även andra gaser som var svåranalyserade.   De framtagna elektrolyterna i detta arbete behöver studeras vidare och fler tester bör genomföras för att se om det finns en möjlighet att använda dem i faktiska litiumjonbatterier. Förutom att testa elektrolyterna i just detta arbete är det viktigt att forskningen kring brandegenskaper och toxiska egenskaper för elektrolyter fortsätter i framtiden.

Les contraintes économiques et environnementales toujours plus exigeantes tendent à réduire la quantité de lubrifiant utilisée dans les systèmes mécaniques. Il en résulte des épaisseurs de film de l’ordre du nanomètre dans les zones de contact, laissant seulement quelques couches de molécules de lubrifiant pour assurer la séparation des surfaces. Pour relever ce défi, de nouveaux fluides sont à l’étude tels que les liquides ioniques qui présentent un formidable potentiel en tant que lubrifiants. Grâce à la Dynamique Moléculaire, la réponse rhéologique d’un liquide ionique à différentes sollicitations de température, pression et cisaillement est tout d’abord caractérisée en détail. Avec l’appui d’essais expérimentaux, l’aptitude du liquide ionique à lubrifier des films minces est confirmée. Cette étude a également permis de jeter un nouveau regard sur les modèles analytiques classiques utilisés en rhéologie. Le liquide ionique en situation de nano-confinement entre deux surfaces représentatives d’un contact acier-acier est ensuite étudié. Les effets combinés du glissement à la paroi, de la rhéofluidification et de l’élévation de température apportent des éléments de réponse pour expliquer la saturation de la contrainte de cisaillement aux fortes sollicitations. Enfin, l’influence de différents revêtements de surface limitant grandement le frottement est analysée. Selon le matériau utilisé, des régimes de lubrification très différents surviennent avec un glissement du fluide à la paroi parfois prédominant. L’utilisation de surfaces polaires impacte également fortement la réponse des contacts lubrifiés par un liquide ionique. / Increasing economic and environmental constraints tend to reduce the amount of lubricant used in mechanical systems. This results in nanometric film thicknesses in the contact areas, leaving only a few layers of lubricant molecules to ensure the separation of the surfaces. To meet this challenge, new fluids are being considered such as ionic liquids which feature a great potential as lubricants. Through Molecular Dynamics simulations, the rheological response of an ionic liquid to different conditions of temperature, shear and pressure is first characterized in detail. The ability of the ionic liquid to lubricate thin films is confirmed. Besides, this study goes back over the classic analytical models used in rheology. The ionic liquid is then nanoconfined between two representative surfaces of a steel-steel contact. The combined effects of wall slip, shear-thinning and temperature rise provide answers to explain the saturation of the shear stress. Finally, the influence of different low friction surface coatings is analyzed. According to the material used, very different dynamical behaviors occur. Moreover, it is shown that the use of polar surfaces significantly impacts the response of ionic liquid lubricated contacts.

En compétition avec les alcanolamines, les liquides ioniques (LIs) sont connus pour interagir fortement et de façon réversible avec des gaz acides. Les propriétés remarquables des LIs ont conduit à la réalisation de ‘Supported Ionic Liquid Membranes’ (SILMs) qui sont des systèmes continus attractifs pour la séparation de gaz, et notamment du CO2. Dans les SILMs, il est possible d’adapter les propriétés d'adsorption/séparation en modifiant les caractéristiques du support (e.g. composition, structure poreuse, surface spécifique, etc.) et du LI (nature des cations et anions). En dépit de leur relative instabilité dans les procédés de séparation de gaz acides, les supports nanoporeux polymériques sont classiquement utilisés pour préparer des SILMs. Récemment, les supports céramiques poreux ont été considérés pour la réalisation de SILMs en raison de leurs excellentes résistances thermique et mécanique. La plupart de ces systèmes sont préparés par imprégnation/infiltration des LIs dans les pores du support céramique. Ce protocole conduit à la formation de matériaux composites dans lesquels le LI est physiquement piégé dans le support, mais souvent avec une distribution hétérogène du LI et une stabilité limitée dans le temps. Dans ce travail de thèse, réalisé en collaboration entre l’Institut Européen des Membranes (IEM) et l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier (ICGM), nous avons développé une nouvelle génération de SILMs, dans lesquelles le LI est confiné dans les pores d'un support en céramique mésoporeux par greffage chimique. La préparation de ces systèmes se fait en trois étapes :i) Synthèse et caractérisation de nouveaux LIs portant des fonctions de couplage pour assurer leur greffage en surface des pores de la membrane céramique et détermination de la capacité d’absorption du CO2 des différents LIs synthétisés;ii) Optimisation des paramètres de greffage de ces LIs sur des poudres modèles de γ-Al2O3 et caractérisation des matériaux hybrides obtenus avec mise en évidence du greffage;iii) Transfert du protocole de greffage optimisé sur des membranes céramiques commerciales γ-alumine (fabrication de Grafted Ionic Liquid Membranes - GILMs) et évaluation de leurs performances pour la séparation du CO2.Ce travail, basé sur une approche originale, associant de nouveaux liquides ioniques et un nouveau concept de membrane à base de liquide ionique supporté, montre, au travers de plusieurs exemples l’intérêt d’une approche multi-étapes pour le développement de systèmes membranaires de séparation du CO2. / In competition with amines, ionic liquids (ILs) are known to interact strongly and reversibly with acid gases, making supported IL-membrane (SILMs) versatile materials for use in CO2 membrane separation applications. It is possible to finely tune SILMs properties for CO2 adsorption/separation by tailoring the characteristics of both the support (e.g., porosity, surface area, composition, etc.) and the ionic liquid (cations and anions). Up to now, nanoporous polymer supports have been favored for preparing SILMs, in spite of their relative instability during continuous separation processes in the presence of acidic gases. Recently, porous ceramic supports have been considered due to their excellent thermal and mechanical resistance. Most of the SILMs are prepared by impregnation/infiltration of IL in the pores of ceramic support which leads to the formation of composite membrane materials with either a physisorbed or mechanically trapped IL in the support. Despite their promising performance, such SILMs exhibit inherent limitations such as facile IL disarrangement, heterogeneous distribution, and limited stability upon ageing.In this Ph.D work, carried out in collaboration between the Institut Européen des Membranes (IEM) and the Institut Charles Gerhardt de Montpellier (ICGM), a new generation of SILMs has been developed in which ILs are confined within the pores of a mesoporous ceramic support by chemical grafting. The membranes are prepared in three steps:i) Synthesis and characterization of new ILs bearing a coupling function which allow the grafting on the surface of ceramic oxide supports and determination of the CO2 absorption capacity of the new ILs developed;ii) Elaboration and/or optimization of relevant synthesis protocols for grafting ILs on/in γ-alumina powders and physico-chemical characterizations of the hybrid materials;iii) Transfer of the optimized grafting protocols on commercial porous ceramic support with γ-alumina top-layer to produce Grafted Ionic Liquid Membranes (GILMs) and evaluate their performance for CO2 separation.An original research strategy, based on new ionic liquids and innovative membrane concepts have been addressed in this work, illustrating the contribution of a multi-step approach towards the development of membranes for CO2 separation.

À ce jour, la récupération de métaux précieux contenus dans les déchets d’équipements électriques et électroniques (DEEE) se fait par des procédés présentant un niveau de dangerosité certain du fait de l’utilisation de cyanure ou d’eau régale qui impactent l’environnement avec une toxicité notoire pour l’homme dans le cas des cyanures. C’est dans la perspective de répondre à ces enjeux environnementaux que le projet PEPITE a été construit en associant un industriel (RECUPYL®) le LEPMI avec le soutien de L’ADEME. L’objet du projet vise à récupérer les métaux précieux contenus dans les DEEE par un procédé utilisant des liquides ioniques (LIs). Les travaux ont permis de compiler une base de connaissance très utile sur les propriétés physicochimiques des liquides ioniques retenus. Nous avons également pu bâtir un schéma de traitement aussi efficace mais sans rejet de gaz toxiques ou d’effluents. Les résultats de nos travaux ont conduit à l’émergence d’une nouvelle voie de recyclage par chimie verte grâce à l’application des liquides ioniques. Enfin, cet avantage environnemental s’accompagne d’une viabilité économique en regard des procédés actuels. / To date, the recovery of precious metals contained in waste electrical and electronic equipment (WEEE) reported a significant level of danger due to the use of cyanide or aqua regia extremely harmful and dangerous to the humans and the environment. This is in view to respond to environmental and economic issues that RECUPYL® society, LEPMI laboratory and the French Environment and Energy Management Agency (ADEME) developed the PEPITE project. It aims to recover the precious metals contained in WEEE by a hydrometallurgical process using ionic liquid electrolytes (ILs). This work led us to establish a knowledge base and to make measurements on the physico-chemical properties of LIs. We were able to develop a process flow sheet without release neither toxic gases nor effluents. The research work undertaken has led to significant results and demonstrated that there is a real solution for the recovery of precious metals in ionic liquid electrolyte.