Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet GREENANONANO né d’un partenariat entre le Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), Goodyear et l’Université de Lorraine dans le but de relever un défi technologique concernant l’augmentation des performances des propriétés viscoélastiques de la gomme utilisée dans les pneumatiques. Cette gomme est un composite constitué d’un élastomère (caoutchouc naturel) renforcé par la silice et le noir de carbone. La dispersion de ces charges n’est pas optimale et tend à dégrader les propriétés mécaniques et électrostatiques et donc les performances des pneus. Faces à ces limitations industrielles, l’utilisation d’autres types de renforts tels que les nanotubes de carbone devient une alternative crédible. Etant donné que les nanotubes de carbone (NTCs) ont tendance à s’organiser en fagots, le problème de la dispersion reste à résoudre. Nous proposons dans cette thèse la mise en place d’un matériau biphasé constitué de silice mésoporeuse naturelle, appelée diatomite, sur laquelle ont été synthétisés des NTCs. La grande surface spécifique de la diatomite offre la possibilité d’y faire croître une grande densité de NTCs et d’accroître significativement la surface de contact avec la matrice polymère. Cette thèse multidisciplinaire a débuté par la synthèse de nanoparticules métalliques par ALD pour la croissance de NTCs, suivie d’un développement du procédé de croissance de NTCs sur la diatomite. L’intégration réussie des charges biphasées obtenues au sein de matrices polymériques (élastomère, thermoplastique) a permis de mesurer les propriétés mécaniques, thermiques et électriques des nanocomposites ainsi fabriqués / This thesis is part of the GREENANONANO project ensuing from a partnership between the Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), Goodyear Company and Université de Lorraine, in order to address a technological challenge for increasing tires performances. The latter are directly related to the viscoelastic properties of the rubber used in tires. This gum is a composite material made by mixing an elastomeric matrix (natural rubber) and fillers (silica and carbon black). Nowadays, the filler dispersion is not optimal, which degrades the mechanical and electrostatic properties and therefore performances of tires. All these industrial limitations require the use of other types of reinforcing agents such as carbon nanotubes. Since carbon nanotubes tend to be organized into bundles, the dispersion problem still exists. We therefore propose in this thesis the synthesis of a biphased material composed by diatomite particles (natural mesoporous silica) on which are grown carbon nanotubes (CNTs). The high surface area of diatomite offers the possibility of growing a high density of CNTs, increasing the contact area with the polymer matrix. This multidisciplinary thesis started with the synthesis of metal nanoparticles by Atomic Layer Deposition (ALD) to catalyse the growth of CNTs and then a process was developed to grow CNTs on diatomite particles. The successful integration of the resulting biphased particles in polymer matrices (elastomer, thermoplastic) allowed to measure the mechanical, thermal and electrical properties of the nanocomposites thus produced

La thèse porte sur l’étude des propriétés et de la durabilité de différents systèmes nanocomposites à base de polyamide-11 (PA11) et d’halloysite algérienne. La première partie est consacrée à l’évaluation du potentiel comme nanocharge de l’halloysite algérienne, en la comparant à une autre commerciale, et ce à travers l’étude de nanocomposites PA11/halloysite préparés par voie fondue. Au vu des différentes techniques utilisées, les résultats révèlent le plein potentiel de l’halloysite algérienne avec des améliorations à la fois des propriétés thermiques et mécaniques après incorporation de la nanocharge. La seconde s’intéresse à l’utilisation de l’halloysite, après fonctionnalisation, comme agent compatibilisant dans des mélanges de polymères à base de PA11. Deux fonctionnalisations ont été testées avec succès, via greffage en surface de chaînes de P(S-co-MAPC1(OH)2) et de SEBS. L’incorporation de ces deux halloysites modifiées dans des mélanges PS/PA11 et PA11/SEBS-g-MA, respectivement, a permis d’obtenir des systèmes ternaires ou l’halloysite modifiée joue le rôle de compatibilisant en se plaçant à l’interface. La troisième et dernière partie du travail se concentre sur la durabilité des nanocomposites PA11/halloysite. D’abord, l’impact de l’halloysite jusqu’à 6 semaines d’immersion, sur la cinétique du vieillissement hygrothermique a été étudié, ainsi que les effets de ce vieillissement sur la morphologie et les propriétés des échantillons. L’étude révèle que l’halloysite augmente la sorption en eau tout en retardant sa diffusion dans le PA11 du fait de la tortuosité induite par sa présence. Une évolution de l'aspect extérieur du matériau est observée avec une diminution des propriétés mécaniques du PA11. Enfin, l’étude de la réaction au feu de nanocomposites PA11/halloysite avec et sans présence de retardateurs de flamme phosphorés a mis en évidence l’effet inhibiteur de l’halloysite après sa fonctionnalisation avec de l’acide méthylphosphonique. Les résultats montrent qu’à taux d’incorporation comparable, l’halloysite modifiée possède un meilleur effet sur le comportement au feu que le polyphosphate d’ammonium ou l’halloysite brute. / The thesis is on the study of the properties and the sustainability of different nanocomposites systems based on polyamide-11 (PA11) and Algerian halloysite. The first part is devoted to the assessment of the potential as nanofiller of the Algerian halloysite by comparing it to another commercial one, through the study of PA11/halloysite nanocomposites prepared by melt mixing. In view of the different techniques, the results show the full potential of the Algerian halloysite with improvements in both thermal and mechanical properties after incorporation of the nanocharge. The second focuses on the use of halloysite, after functionalization, as compatibilisant agent in PA11 based polymers blends. Two functionalizations have been tested successfully via grafting on the surface of P(S-co-MAPC1(OH)2) and SEBS chains. The incorporation of these two modified halloysites in PS/PA11 and PA11/SEBS-g-MA, blends, respectively, led to ternary systems where the modified halloysite plays the role of compatibilizing agent by its localization at the interface. The third and final part of the work focuses on the sustainability of the PA11/halloysite nanocomposites. First, the impact of halloysite up to 6 weeks of immersion on the kinetics of the hygrothermal aging has been studied, as well as the effects of aging on the morphology and properties of samples. The study reveals that halloysite increases water sorption while delaying its diffusion in the PA11 due to the tortuosity induced by its presence. An evolution of the outward appearance of the material is observed with a decrease of the mechanical properties of the PA11. Finally, the study of the fire reaction of the PA11/halloysite nanocomposites with and without presence of phosphorus flame retardants has highlighted the inhibitory effect of halloysite after its functionalization with methylphosphonic acid. The results show that at comparable incorporation rate, the modified halloysite has a better effect on the fire behavior than ammonium polyphosphate or raw halloysite.

Un matériau est dit « barrière » quand il induit un retard à la diffusion de la molécule « pénétrante ». Il existe peu de possibilités pour moduler les propriétés barrière d'un matériau donné (ex. emballage). La possibilité technologique la plus utilisée consiste à augmenter la tortuosité du chemin du pénétrant par l'addition d'obstacles. Ces obstacles peuvent être obtenus par la création d'une morphologie cristalline particulière ou par l'addition de nano-charges. L'efficacité ainsi obtenue dépend du facteur de forme des obstacles, de leur densité et orientation par rapport à la direction principale des transferts. Les travaux de thèse ont exploré une voie différente, dont les principes ont été formalisés précédemment à partir de considérations théoriques de la diffusion sur des surfaces d'énergie hétérogènes ou d'une description de la réactivité en catalyse hétérogène. L'idée directrice repose sur une augmentation du temps de parcours en lieu et place d'une augmentation du chemin de diffusion en incorporant dans le matériau de nano-adsorbants (obstacles actifs). Dans ce cas, le matériau devient une barrière spécifique à un ou une famille de solutés. En particulier, une théorie étendue des volumes libres a été développée pour séparer les interactions avec la surface active (montmorillonites dans cette étude) des effets des volumes-libres dans le polymère. Les propriétés de sorption des argiles pures et modifiées ont été caractérisées expérimentalement et par modélisation moléculaire pour déterminer les conditions pour lesquelles le coefficient de partage Kcontrast entre la surface des argiles et les polymères testés (polycaprolactone=PCL, alcool polyvinylique=PVA) seraient plus grand que l'unité. Les systèmes PVA+argiles natives ont présenté les meilleures propriétés barrières aux solutés modèles étudiés, avec une activation par les températures basses et une sélectivité modulable par l'humidité relative. Les effets bloquants ont été en bon accord avec la description du piégeage des solutés organiques dans entre les claies empilées des argiles sous contrôle à la fois entropique et enthalpique. / A material is defined as “barrier” when it is able to delay the diffusion of a penetrant. There are few possibilities to modulate the barrier properties of a prescribed material (e.g. packaging material). Most of conventional technological strategies aim at increasing the tortuosity path of the penetrant by adding obstacles. Such obstacles could be obtained either by creating a crystalline morphology or by adding of nano-fillers. The gain in diffusion barrier depends on the shape factor of obstacles, their concentration and orientation according to the main direction of transfer. In this PhD work, a novel direction to improve the barrier property has been studied; its principles have been early formalized independently from theoretical considerations on random walk on heterogeneous energy surfaces and from modeling of reactivity in heterogeneous catalysis. The central idea relies on increasing retention times instead of diffusion path lengths by incorporating nano-adsorbents (i.e. active obstacles) in the material. In this case, the considered material becomes a barrier specific to one or a family of solutes. This new concept has been tested on organic solutes to develop new barrier materials (e.g. biobased food packaging, materials for fuel tank…). The results brought out the engineering principles of such materials and experimental evidences to support the concepts. In particular, an extended free-volume theory has been developed to separate interactions with active surfaces (i.e. montmorillonites (MMT) in this work) from free-volume related effects in the polymer. Sorption properties of pristine MMT and organo-modified ones have been characterized experimentally and by molecular simulation to derive conditions where the partition coefficient Kcontrast between the surface of MMT and tested polymers (i.e. polycaprolactone (PCL), polyvinyl alcohol (PVA)) could be much greater than unity. PVA materials containing pristine MMT exhibited the most promising barrier properties to studied model solutes, which can be activated by decreasing temperature and whose selectivity can be controlled by varying the relative humidity. The blocking effects were in good agreement with the proposed description of “trapping” of organic solutes by intercalation in MMT galleries and on its enthalpic and entropic control.

Les polymères de coordination fer-triazole constitue une famille des composés à transition de spin particulièrement étudiée au cours des deux dernières décennies en raison de la présence du caractère hystérétique et abrupt de leur transition de spin. Leur mise en forme et la conservation de leurs propriétés reste cependant une problématique d’actualité. L’objectif de cette thèse est de répondre à cette problématique en synthétisant un métallogel renforcé par des nanoparticules de silice, aboutissant à un nanocomposite hybride à transition de spin. Cet objectif fut rempli grâce à un balayage des paramètres physico-chimiques du système et un contrôle rigoureux des conditions expérimentales. Le gel obtenu a été caractérisé par de multiples techniques, ce qui a permis de proposer des mécanismes d’action des différentes composantes du système sur ses propriétés de transition de spin. Afin d’améliorer ses propriétés mécaniques, une matrice de silice hybride a été synthétiser in situ dans l’échantillon par voie sol-gel en phase vapeur. Le matériau obtenu est fonctionnel et manipulable, et a été ensuite caractérisé en détail afin de conclure sur l’influence de ce traitement sur les propriétés de transition de spin du composite. Enfin, une approche « bottom-up » du système polymère fer-triazole - triazole a été étudiée, avec comme objectifs la synthèse d’un précurseur alcoxysilane fonctionnalisé par un triazole et « l’habillage » de nanoparticules de silice par le polymère afin d’étudier leur auto-assemblage. / Iron-triazole coordination polymers have been extensively studied during the last two decades as a class of spin crossover compounds because of their hysteretic and abrupt spin crossover properties. Their use has been limited due to the difficulty to integrate them into a functional material which is still a challenge today. The main goal of this PhD. project is to address this issue by designing a metallogel reinforced by the adjunction of silica nanoparticles, allowing us to prepare a hybrid spin crossover nanocomposite. We achieved this aim by screening the physicochemical parameters of the system and carefully tuning of the experimental conditions. The resulting gel has been extensively characterized by different technics, allowing us to make assumptions for the role of each component of the system on its spin crossover properties. We improved its mechanical properties by in situ chemical vapour deposition of silica, forming a hybrid matrix by sol gel process. The resulting material is functional and easy to handle, and has been further characterized to conclude on the influence of this process on the composite spin crossover properties. Finally, a “bottom-up” approach of the iron-triazole polymer – silica system has been studied, with the aim of a triazole functionalized alcoxysilane precursor and the preparation of polymer wrapped silica nanoparticles in order to study their auto-assembling properties.

Le graphène est une nanoparticule bidimensionnelle d'épaisseur atomique présentant des propriétés uniques, qu'elles soient mécaniques, électriques ou thermiques. Ceci ajouté à une faible densité et une très grande surface spécifique, fait que l'ajout de graphène et de nanoparticules dérivées (oxyde de graphène, graphite exofilé) pour renforcer des matrices polymères est devenu un sujet d'études d'intérêt majeur dans le domaine des nanocomposites. Cependant, l'influence de la variation de la viscoélasticité de la matrice due à l'ajout de graphène ainsi que la mécanique interfaciale reste aujourd'hui peu étudiée. De plus, il n'existe aujourd'hui pas de procédé permettant d'obtenir des nanocomposites présentant du graphène dans le plan orienté dans une matrice polymère afin de réaliser un renforcement à deux dimensions. Ce travail de thèse est composé principalement de trois projets portant sur ces problèmes.La première partie de ce travail se concentre sur la façon d'utiliser l'approche micromécanique viscoélastiques pour soustraire l'effet de changement de Tg pour corriger la rigidité apparente de nanocomposites d'oxyde de graphène. On a ainsi trouvé que l'oxyde de graphène rigidifie « indirectement » les matrices polymères en augmentant de manière significative la Tg de la matrice, ce qui modifie largement la viscoélasticité du matériau. Le mécanisme de renforcement est ainsi largement causé par cet effet plutôt que du fait de la rigidité de l'oxyde de graphène lui-même.La deuxième partie se concentre sur l'utilisation d'un procédé de mise en œuvre innovant, la coextrusion multinanocouches, ou assemblage forcé, pour créer des films nanocomposites constitués de couches alternées de polymères et de polymères chargés de nanoplaquettes de graphène orientées. Cette orientation est induite par le nanoconfinement imposé par le procédé. La morphologie des couches (35 ~ 40 nm d'épaisseur) contenant du graphène orienté a été étudiée par microscopie électronique. Les propriétés mécaniques des matériaux ont été déterminées et le renforcement bidimensionnel a pu être corrélé à une orientation (imparfaite) des nanoplaquettes de graphène dans les films stratifiés.La troisième partie se concentre sur l'utilisation de la méthode de l'inflation de nano-bulle pour obtenir les réponses mécaniques d'un « nano-sandwich » (nanofilm de polymère / feuille de graphène / nanofilm de polymère). Aux petites déformations, des renforts mécaniques significatifs ont été observées pour le système PEMA / graphène, tant à l'état caoutchouteux qu'à l'état vitreux. Les mécanismes d'interface entre le graphène et les polymères ont été étudiés et un glissement interfacial a été observé. / Graphene is an atomically thick, two-dimensional nano-sheet with advanced mechanical, electrical, and thermal properties. As a result, the addition of graphene and graphene derivative nanoparticles to polymer matrices has been a major strategy towards development of new materials in the field of composites. However, from a fundamental point of view, the origins of the advanced properties of graphene-based nanocomposites have been little investigated. In particular, changes in the viscoelastic properties of the polymer matrix due to specific interactions between the polymer and the graphene reinforcing elements can cause higher than expected apparent reinforcement. In addition, there is little work on characterizing the strength of the interface between the graphene used for reinforcement and the polymer matrixes. From a more engineering point of view, the design of polymer nanocomposites made of in-plane oriented graphene to create a two-dimensionally reinforced structure has also not been previously undertaken. The present dissertation is composed of three major works focusing on these problems.The first part focuses on how to use a viscoelastic micromechanics approach to account for the effects of glass transition temperature Tg changes to correct the apparent stiffening of graphene oxide nanocomposites. It is found that graphene oxide stiffens the polymer matrices by increasing the Tg, which significantly modifies their thermo-viscoelasticity. This leads to apparent reinforcements that are not due to the stiffness of the graphene oxide itself, and largely explains anomalously high moduli reported in the literature for such graphene oxide/polymer matrix nanocomposites.The second part focuses on a forced assembly multi-layer co-extrusion method to create films made of alternating layers of neat polymer / oriented graphene nanoplatelet filled polymer. The morphology of the layers (35 ~ 40 nm thick) containing oriented graphene was established by electron microscopy. Mechanical properties of the materials were determined and the two-dimensional stiffening could be related to the oriented graphene nanoplatelets in the layered films. Taking into account the change of Tg, more than 100% intrinsic reinforcement was estimated for 2 wt % of graphene in the nanolayers. The results were analyzed and interpreted via an analytical model based on Mori-Tanaka analysis.The third part focuses on extending a nano-bubble inflation method to the investigation of a novel graphene nano-sandwich with the purpose of investigation of the graphene / polymer interface. At small strains, significant mechanical reinforcement was observed for both graphene-reinforced rubbery and glassy PEMA layers. The interfacial mechanics between graphene and polymer layers was investigated and a “yield-like” interfacial slip was observed in the mechanical response of the nano-sandwich structures.

L'objectif de ce travail était le développement des nanocomposites d’EVOH/zeolites à base de charges telles que les zéolites pour l’encapsulation des cellules solaires organiques, et l’étude de leur comportement photochimique. Ce travail a porté sur l’étude du mécanisme de photooxydation des copolymères d’EVOH puis sur l'impact des zéolites sur ce mécanisme. Les propriétés fonctionnelles des nanocomposites d’EVOH/zéolites ont été étudiées en prenant en compte le taux de charge et la taille des particules. Les propriétés des copolymères d’EVOH et des nanocomposites d’EVOH/zéolites comme la transparence optique, la morphologie de surface, les propriétés mécaniques et thermiques, et les propriétés d'absorption de l'eau ont été étudiées. Sur la base des résultats obtenus, les meilleurs candidats pour l'encapsulation des cellules solaires organiques ont été proposés. Le mécanisme de photooxydation des copolymères a été proposé, la photostabilité des matériaux et l'impact des zéolites sur le comportement photochimique du polymère ont été étudiés. Le test électrique de calcium et le suivi des performances des cellules solaires organiques encapsulées ont été effectués afin d'évaluer l’efficacité des matériaux étudiés comme candidats potentiels pour une encapsulation efficace et stable des cellules solaires. / The goal of this work was to develop EVOH/zeolite nanocomposites based on inorganic fillers such as zeolites for potential encapsulation of OSCs and to investigate their photochemical behaviour. The research was focused on the photooxidation mechanism of pristine EVOH copolymers and on the impact of the filler addition on this mechanism. EVOH/zeolite nanocomposites functional properties were characterised taking into account different particle sizes and filler contents. Properties of EVOH copolymers and EVOH/zeolites nanocomposites such as optical transparency, surface morphology, mechanical and thermal properties, and water uptake properties were investigated. On the basis of obtained results, the best candidate(s) for encapsulation of organic solar cells has been proposed. The chemical degradation mechanism of pristine polymers has been proposed, the materials photostability and the impact of the zeolite particles on the photochemical behaviour of the polymer have been studied. Electrical calcium test and performance of encapsulated OSCs were carried out in order to evaluate the ability of the studied materials to be used as potential candidates for efficient and stable encapsulation coatings for OSCs applications.

Le développement des applications industrielles relatives aux nanotechnologies entraîne un accroissement du nombre et de la variété de déchets contenant des nanomatériaux générés par l'industrie, les consommateurs et les laboratoires de R&D. Des familles de matériaux émergents incorporant des nano-objets se développent de manière significative alors que l’adéquation des filières de fin de vie (recyclage et élimination) n’est que récemment évaluée vis-à-vis des risques potentiels liés aux nanomatériaux. Les nanocomposites - dont la fin de vie est susceptible d'être prise en charge par l'incinération - font l'objet de cette thèse. L’objectif est d’une part de connaître le devenir des nano-objets (incorporés dans le nanocomposite) lors de l’incinération du nanocomposite ; et d’autre part de connaître leur comportement dans la chambre de combustion. Les essais d’incinération ont été réalisés à l’échelle laboratoire dans un four tubulaire et un cône calorimètre spécialement modifiés dans le but de contrôler les paramètres clés de l’incinération. Les suivis temporels des concentrations en gaz et des concentrations en nombre de l’aérosol de combustion ainsi que l’imagerie en microscopie électronique nous ont permis d’étudier les émissions et la décomposition thermique. Par ailleurs, l’influence de différents paramètres tels que la température de combustion, l’oxygénation de l’échantillon, le taux d’incorporation et la nature du nano-objet incorporé, sur la nature des émissions, a été étudiée. Enfin, pour faciliter l’utilisation des résultats au niveau opérationnel, un arbre décisionnel a été proposé aux décideurs publics et aux exploitants d’unité d’incinération. / Nanocomposites have been widely studied and produced since the end of the nineties. These trendy materials containing nanomaterials are expected to end up in incineration waste plants due to the lack of specific recovery procedures. The aim of this work is to investigate the behavior and the fate of the nano-objects from nanocomposites during their incineration and to give insights on potential environmental risk related to the incineration of waste containing nanomaterials. Incineration tests have been performed at lab-scale using a specific tubular furnace and a cone calorimeter which have been modified in order to control the key incineration parameters within both the combustion and post-combustion zones. The influence of the nano-objects presence on the combustion mechanisms (aerosol release and decomposition) is investigated. It seems necessary to address the issue of the fate of nano-objects incorporated initially in the polymer: are they destroyed, do they undergo changes during their stay in the incinerator furnace, and where are they are released ? The combustion residues and the combustion aerosol (collected downstream the incinerator) have been characterized using various techniques devoted to the analysis of aerosols. Furthermore, it has been studied the influence of different parameters (temperature of combustion, oxygen rate, loading of nano-objects, type of nano-objects) on the nature of emissions. Finally, a decision tree has been proposed to decision-makers and incineration plant managers in order to facilitate the use of the results on an operational level.

La chimie se doit de développer de nouveaux axes de recherche à la fois respectueux de la nature et s’inscrivant dans une démarche globale éco-compatible. Dans ce contexte, l’utilisation des polymères naturels, notamment les polysaccharides, permet de synthétiser des matériaux innovants des applications dans de nombreux secteurs industriels. L’objectif de ce travail est de valoriser les polysaccharides marins tels que le chitosane et le κ-carraghénane à travers l’exploration de deux axes de recherches. Le premier axe est consacré à l’amélioration des propriétés mécaniques, électriques et de sorption de biopolymères par l’incorporation de graphène. Un protocole original a permis de disperser très efficacement du graphène au sein du chitosane pour la conception de films et d’aérogels nanocomposites. L’analyse des films a mis en évidence une amélioration simultanée de la rigidité, de la résistance, et de l’élongation à rupture, pour de faibles teneurs en graphène. Le seuil de percolation permettant l’obtention d’une conductivité électrique n’a pas été atteint aux faibles taux de charges utilisés. L’étude des aérogels chitosane/graphène a, quant à elle, révélé que l’incorporation de graphène aux aérogels de chitosane permettait d’augmenter leur capacité d’adsorption de colorants.Le deuxième axe concerne l’introduction d’hétéroatomes dans la structure carbonée du graphène. Pour obtenir du graphène dopé en azote et en soufre, des aérogels de polysaccharides marins ont été synthétisés, puis pyrolysés dans des conditions contrôlées. Les aérogels carbonés obtenus sont ensuite exfoliés dans l’eau par l’utilisation d’ultrasons. Les groupements amine du chitosane ont permis d’obtenir avec un haut rendement un graphène dopé avec un taux de 5 % d’azote. De plus, il a été possible de moduler de 5 % à 11 %ce taux d’azote par l’emploi de liquide ionique tel que le [EMIm][dca]. De façon similaire, les groupements sulfate du κ-carraghénane ont permis de doper du graphène en soufre avec un taux d’atomes de soufre de 1,5 %. / The chemistry have to develop new research axis both respectful of the nature and joining an eco-compatible global approach. In this context, use natural polysaccharides allow to synthesize innovative materials for applications in many industries fields. The aim of this work is add value to the marine polysaccharide such as chitosan and κ-carrageenan through two research axis.The first axis is consecrated to increase the mechanical, electrical and color sorption properties by introduce graphene filler in biopolymer matrice. An easy and original protocol allowed scattering very effectively graphene in chitosan to design films and aerogels nanocomposites. The analyse of nanocomposite films show an improvement of stiffness, tensile strength and elongation break at the same time with low content of graphene. However, the percolation threshold was not reach to bring electrics properties in films. The study of chitosan/graphene aerogel reveals that graphene allows an increase of color agent adsorbing power such as eosin Y compared with aerogels chitosan.The second axis concerns the introduction of heteroatom in graphene carbon structure. To obtain nitrogen-doped graphene and sulphur-doped graphene, it requires the synthesis of marine polysaccharide aerogel, and their pyrolysis under controlled conditions. The carbon aerogels are exfoliated in water with sonification. Amine groups in chitosan allowed through this process a nitrogen-doped graphene with high yield and nitrogen rate of 5 %. Moreover, it was possible to modulate nitrogen rate with ionic liquid such as [EMIm][dca]. So the nitrogen atom rate increases from 5% to 11%. In similar way, sulfate group in κ-carrageenan gives sulphur-doped graphene with sulphur rate of 1,5%.

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Electrochemical supercapacitors (ESs) are one of the most modern energy storage systems that offer a balance between power and energy densities in which the energy storage mechanisms could be an electrostatic double layer (EDLCs) and pseudocapacitive. In this thesis, hybrid asymmetric supercapacitors have been developed to optimize the advantages for different types of (ESs) such as high conductivity, stability, fast charge-discharge, and relatively high performance. These developments include high active mass loading electrodes based on multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) and transition metal oxides with incubation of low binder percentage and a high mass loading of 40 mg cm-2 that guarantees high electrochemical performance at a wide potential range for different electrodes, especially the cathodic one. Novel synthesis techniques and different multi-dispersants have been demonstrated; a conception colloidal fabrication method has been developed to improve the morphology/dispersion for composites of Fe3O4/MWCNTs (M-CNTs) and NiFe2O4/MWCNTs. Firstly, an advanced synthesis method called particle extraction through a liquid-liquid interface (PELLI) has been developed to enhance the dispersion of the nanoparticles M-CNTs. Furthermore, palmitic acid (PA) has been used as a surfactant in the bottom-up (PELLI) to reduce the agglomeration of M-CNTs with high Gamma (𝛾𝛾) ratio (nanoparticles/MWCNTs). Moreover, different synthesis methods have been developed in the presence of celestine blue dye (CB) as a co-dispersant with advanced electrostatic interaction and coagulation mechanism that ensured well- dispersed of (Fe3O4, NiFe2O4) coated (MWCNTs) at high mass loading. Subsequently, more optimizations have been done to analyze the effect of different adsorption mechanisms by using other co-dispersant agents such as pyrocatechol violet (PV), azure A chloride (AA), and m-cresol purple (CP). Finally, cyclic voltammetry, galvanic charge-discharge (GCD), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and cyclic stability have been done for the fabricated electrodes and devices in neutral aqueous electrolytes that showed a relevant electrochemical performance in a large potential range. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / The rapid increase in human population has caused many economic problems, one of them the enormous energy consumption rate as compared to the limitations of sources available for clean and renewable energy sources. Energy storage systems can be classified into different types, e.g., chemical, electrochemical, thermal, and mechanical systems. Popular electrochemical energy storage systems, such as batteries and capacitors, are used for many important daily applications but have difficulties while optimizing power and energy densities. Here, electrochemical supercapacitors (ESs) are considered potential energy storage systems that could balance power and energy densities with fast charge-discharge and a long lifetime. The purpose of this research is to advance nanocomposite materials for electrochemical supercapacitor applications, where we use new colloidal approaches to fabricate high-performance electrochemical supercapacitor electrodes and devices. Our results reveal that these devices can have exceptional performance that facilitates new routes for their development.