>Magister Scientiae - MSc / The motivation to determine H2O2 lies in the fact that this chemical species plays a crucial role in diverse fields of practise such as cosmetic, food, diagnostic, pharmaceutical, clinical and environmental protection industries. Several methods such as chromatography, colorimetry, titrimetry and spectrophotometry have been developed for its detection. However, these methods are known to manifest underlying disadvantages such as high cost, time consuming, instability and complicated immobilization procedures. In this present study an enzyme-less electrochemical sensor based on Ag-Fe2O3/POM/RGO nanocomposite (POM stands for polyoxometalate and RGO stands for reduced graphene oxide) was successfully synthesised via a hydrothermal method and a photochemical reduction method for the detection of hydrogen peroxide (H2O2).

Les polyoxométallates (POMs) dendritiques constituent une catégorie de catalyseursrelativement nouvelle. L’association d’un dendrimère avec un polyoxométallate permet debénéficier des propriétés catalytiques intéressantes des POMs et de pouvoir modifier cespropriétés en variant la structure du dendrimère. Une variété de composés hybrides POMsdendritiques a été préparée par formation de liaisons ioniques entre une unité POM anioniqueachirale et des cations dendritiques énantiopurs. Ces composés se sont montrés très efficacespour la catalyse d’oxydation asymétrique, avec une stéréosélectivité significative. Cesrésultats ont démontré pour la première fois un transfert de chiralité d’une structure organiqueénantiopure vers une unité POM achirale. Ces composés sont stables et recyclables dans desconditions douces, sans perte significative de réactivité et de stéréosélectivité. / Polyoxometalates (POMs) represent a new generation of catalysts. Association of dendrimersand POMs allows modification of POM catalytic properties by modifying the dendrimerstructure. Several dendritic POM hybrid compounds have been prepared by ionic bondformation between an anionic POM unit and enantiopure dendritic cations. These compoundsare efficient for asymmetric oxidation catalysis with significant stereoselectivity. Theseresults have shown, for the first time, a chirality transfer from an enantiopure organicstructure to an achiral POM unit. These compounds are stable and recoverable under mildconditions without any significant loss of reactivity and stereoselectivity.

L’objectif de la thèse était la préparation et la caractérisation des catalyseurs hétérogènes à base de polyoxométalates. L’étude mécanistique d’oxydation du méthane jusqu’au méthanol a montré que sur des polyoxométalates supportés sur la silice l’activation C-H a lieu déjà à la température ambiante. L’adsorption du méthane-13C sur H4SiMo12O40 supporté, suivie par RMN solide a mis en évidence la création de l’espèce méthoxy [SiMo12O40(CH3)]3-. Le cycle catalytique est complété par l’hydrolyse de cette espèce - méthanol est formé et une molécule de l’eau recrée la structure du départ de polyoxométalate. L’adsorption du méthanol-13C sur des polyoxométalates a montré la création de deux types des espèces methoxy, localisées sur des atomes d’oxygènes terminaux ou pontants est caractérisées par deux signaux RMN distincts – à 58 et 77 ppm, respectivement. En greffant un complexe de platine PtMe2COD sur les sels de césium de polyoxometalates, le dégagement du méthane ou de la mélange du méthane et de l’éthane a été observé et expliqué par la séquence de l’addition oxydative du proton de polyoxometalate au centre métallique, couplage C-H ou C-C et finalement l’élimination réductrice et libération d’une molécule de gaz. Sels d’ammonium de l’acide phosphotungstique H3PW12O40 ont été montrées de catalyser l’isomérisation du n-butane a l’isobutane dans des conditions douces (225°C, 1 atm.). Composé du cuivre Cu(OTf)2 sur la surface des sels inorganiques des polyoxometalates donne des catalyseurs très actifs en insertion des carbènes aux liaisons C-H des éthers cycliques. / The aim of this work was preparation and characterization of catalysts based on polyoxometalates and their use in various catalytic reactions in heterogenous conditions. Methane C-H activation on silica-supported polyoxometalates was shown already at room temperature. Methoxy species [SiMo12O40(CH3)]3- from the 13C-enriched methane adsorption at 200°C on the surface of a silicadispersed silicomolybdic acid was detected by means of 13C SS NMR. Its hydrolysis led to methanol formation, thus completing the catalytic cycle. After 13C-enriched MeOH adsorption presence of two distinct methoxy species on the surface of polyoxometalates was shown, located on terminal (single coordinated) and bridging (double coordinated) oxygen atoms and resulting in the resonances at 58 and 77 ppm in 13C SS NMR. Grafting of PtMe2COD on the surface of various polyoxometalate supports led to methane or combined methane and ethane release, explained by means of oxidative addition/reductive elimination mechanism on metal centers. Ammonium salts of phosphotungstic acid catalyzed efficiently n-butane to isobutane skeletal isomerisation at mild conditions (225 °C, atmospheric pressure). Successful heterogenization of copper catalysts, active in enantioselective C-H carbene insertion reactions, on polyoxometalate supports have been shown

Polyoxoniobates (PONbs) are a small family of highly electron-rich clusters. The development of new solids composed of these clusters have applications in green energy and electronics. However, the high charge environment of PONbs typically requires alkaline synthetic conditions that are unsuitable for introducing other metals and organic molecules, making synthesis of new systems difficult. To date, very few transition metals and organic ligands have been incorporated into these PONb solids, and lanthanide metal inclusion, which generally improves photoconductivity due to longlived f-orbital excitations, has not yet been fully realized. Here, the synthesis of a new class of lanthanide niobate cluster [Ln4(H2O)8(SO4)5(NbO3)2]·3H2O; Ln= Dy, Tb under acidic conditions is reported. Structures were determined by crystallography and time-dependent density functional theory (TD-DFT) was used to provide insight into photo-induced electronic transitions. Supporting computational methods that are currently being developed for modeling these emerging cluster systems are described.

Layer-by-Layer (LbL) deposition of electrochemically active materials on porous carbon electrodes is a proven method to leverage both electrochemical double-layer capacitance and pseudocapacitance for charge storage on the same electrode. LbL coatings are held together by electrostatic attraction between adjacent layers of oppositely charged molecules. Previous studies have used Keggin polyoxometalates to great effect as the anionic layer in LbL electrode modification, but little effort has been devoted to cationic material selection and LbL process optimization. This work investigated alternatives to the conventional, electrochemically inert polydiallyldimethylammonium (PDDA) cation. The use of fuchsin molecular cations in LbL deposition improved the specific energy and specific power of modified electrodes. Fuchsin cation also rendered the environmentally harmful oxidative surface activation step unnecessary for LbL deposition. Process parameters were optimized for MWCNT/Fuchsin/POM samples, and post-LbL electrochemical polymerization was found to further improve the performance of these electrodes.

L’objet de ce travail est de développer des nouveaux catalyseurs pour réduire les ions nitrites (NO2- /HNO2) et nitrates (NO3-) dans l’eau en étudiant les facteurs qui vont influencer leurs réductions catalytiques. On a montré que la présence de polyoxométallates (POMs) permet d’améliorer les propriétés catalytiques de l’électrode de Cu et d’Ag pour la réduction de ions nitrate et nitrite avec des conditions adaptées. Par la suite, des nanoparticules du cuivre (Cu@POM) ou d’argent (Ag@POM) ont été préparées par électroréduction of CuPOM in situ ou photocatalyse en présence d’ions POMs et Ag(I) respectivement. Leurs propriétés électrocatalytiques ont été étudiées. Six différents polyoxométallates substitués par des atomes de Cu(II) (CuPOMs) ont montré de bonnes activités pour la réduction de nitrite à pH 1 et à pH 5. Deux activités sont observées : au potentiel de la réduction de CuII et au potentiel de réduction des W(VI) du POM. Quant à la réduction du nitrate, [Cu4(H2O)2(P2W15O56)2]16- et [(A-β-SiW9O34)Cu4(OH)3(H2O)(H3N(CH2)3COO)2]3 5- peuvent catalyser la réduction du nitrate à un potentiel au-delà de la réduction du Cu(II) à la réduction des W(VI). Par contre, dans le cas de [(SbW9O33)2{Cu(H2O)}3]12– aucune électrocatalyse n’est observée. Cela indique que le type de POM influence les propriétés catalytiques des nanoparticules. Pour le système Ag@POM photoréduit, un catalyseur hétérogène est préparé et stabilisé par une couche de Nafion. Les nanoparticules Ag@POM sont actives pour la réduction du nitrite et du nitrate et possèdent une activité meilleure que celle mesurée pour l’électrode d’Ag seule. Dans la dernière partie, une étude préliminaire de polyoxométallates encapsulés dans les ‘Metal-Organic Framworks’ (MOFs) e st présentée. L’entité POM conserve ses propriétés électrochimiques et électrocatalytiques pour la réduction de nitrite après immobilisation dans la cage MOF. / The object of this work is to develop new catalysts to reduce nitrite ions (NO2- / HNO2) and nitrate ions(NO3-) in water and also tried to understand the factors that will influence catalytic reductions. It has been shown that the presence of polyoxometalates makes it possible to improve the catalytic properties of the Cu and Ag bulk electrodes for the reduction of nitrate and nitrite ions under suitable conditions. Then, the copper or silver nanoparticles decorated with POMs, Cu@POM or Ag@POM), are formed with two different methods: electroreduction in situ of CuPOM or photocatalysis in the presence of POM and Ag(I) ions respectively). Their electrocatalytic properties are presented. Six different Cusubstituted polyoxometalates (CuPOMs) are active for nitrite reduction at pH 1 and pH 5. Two activities are observed at the potential of CuII reduction and at the potential of WVI reduction in POM. [Cu4(H2O)2(P2W15O56)2]16- and [(A-β-SiW9O34)Cu4(OH)3(H2O)(H3N(CH2)3COO)2]3 5- catalyse the nitrate reduction at the potential beyond the reduction of CuII and at the reduction of WVI. On the other hand, no catalysis efficiency was observed with [(SbW9O33)2{Cu(H2O)}3]12-. This indicates the type of POM will influence the catalytic properties of nanoparticles. With the photoreduced Ag@POM nanoparticles, a heterogeneous catalyst is prepared and stabilized by a Nafion layer. Ag@POM nanoparticles are active for the reduction of nitrite and nitrate and have an activity better than the Ag electrode alone. In the last part, a preliminary study of polyoxometalates encapsulated in Metal-Organic Framworks (MOFs) is presented. POM retains its electrochemical and electrocatalytic properties toward the reduction of nitrite after immobilized in the cage of MOF.

L'avenir de l'industrie chimique réside dans le développement de nouvelles méthodes de synthèse, et notamment dans la mise en place de réactions catalytiques et l'utilisation de milieux réactionnels performants. Ainsi, le but de ce travail de recherche doctorale était de développer des tensioactifs catalytiques à base de polyoxométallates pour effectuer des réactions de catalyse d'oxydation de substrats organiques en microémulsion. Ce travail de recherche a débuté par la synthèse et la caractérisation de nouvelles familles de tensioactifs à base de polyoxométallates, et le contrôle de la nature des contre-ions a permis de mettre au point des molécules hydrosolubles. Ces molécules amphiphiles ont été utilisées pour effectuer de la catalyse d'oxydation en phase homogène dans des solvants usuels et "verts". L'étude de la catalyse a permis d'apporter une contribution à la compréhension des sites actifs de la catalyse d'oxydation. L'étude des propriétés d'agrégation de plusieurs de ces familles de polyoxométallates amphiphiles a été menée par des techniques de caractérisation physico-chimique telles que le SAXS et la RMN et a montré la formation de micelles. L'étude de l'hydrolyse des polyoxométallates amphiphiles en solution aqueuse a mis en évidence le rôle primordial du contrôle du pH sur la stabilité des POMs amphiphiles en solution aqueuse. Une microémulsion stabilisée par des polyoxométallates amphiphiles a été décrite pour la première fois et caractérisée par SAXS et par RMN HMQC. La catalyse d'oxydation en microémulsion n'a pas pu être réalisée à cause de l'inhibition et/ou hydrolyse du catalyseur en présence d'eau. / The future of the chemical industry lies in the development of new synthetic methods, especially in setting up catalytic processes and in using new and efficient media. The aim of this doctoral research was to develop polyoxometalate based catalytic surfactants to catalytically oxidize organic substrates in microemulsions. This research begun with the synthesis and the characterization of new polyoxometalate based surfactant families, and water soluble molecules could be obtained by controlling the nature of the counterions. These amphiphilic molecules were used to make a homogeneous oxidation catalysis in most commonly used organic solvents and so-called green solvents. The study of the catalysis contributed to the understanding of active sites. The study of the aggregation properties of some of our amphiphilic POMs was carried out using physicochemical characterization techniques such as SAXS and NMR, and the formation of micelles was evidenced undoubtedly. One drawback of our system is the slow hydrolysis of the phosphonylated group grafted onto the POM framework in water, which has been showed to be accelerated in acidic conditions. Despite this degradation, we succeeded in stabilising a microemulsion by amphiphilic polyoxometalates for the first time, and we characterized it by SAXS and NMR HMQC. The oxidation catalysis in microemulsion couldn’t be carried out because of the catalyst inhibition and/or hydrolisis in presence of water.

Des films du type polyoxométallates-porphyrines ont été synthetisés et sont basés sur des interactions du types covalentes ou électrostatiques. Les films polyoxométallates–porphyrines sont obtenus par électro-oxydation de l’octaéthylporphyrine de zinc (ZnOEP) ou la 5,15-ditolylporphyrine (H2T2P) en présence de différents types of polyoxométallates (POMs) portant deux groupes pyridyles pendants (py-POM-py) Trois type de systèmes py-POM-py ont été utilises : i) un Lindqvist polyoxovanadate fonctionalisé via deux groupes tris-alkoxo , ii) un derive organosilyl fonctionalisé du type Keggin ou Dawson, et iii) des briques du type Dawson [P2W15V3O62]9− fonctionalisée avec des groupements organiques bis-pyridine de géométrie variée via un greffage diolamide). Tous ces films ont été testé pour la génération de photocourant et la photocatalyse de la réduction de métaux (Ag et Pt). Des films électrostatiques POM-porphyrin ont été également préparés par incorporation de polyanion du type Preyssler [NaP5W30O110]14- sur les films de porphyrine polycationic (poly-ZnOEP) électropolymérisés avec des espaceurs viologènes ou bis-viologènes. [NaP5W30O110]14- agit comme relais d’électron entre une porphyrine excitée ZnOEP* et le viologène (ou le bis-viologène) retardant la recombinaison de charge ce qui permet une augmentation du photocourant. Enfin, des nanoparticules POM@NPs (Pt, Au, Ag) ont été introduites en surface de copolymère polycationique à base de bis-porphyrine par métathèse afin d’augmenter l’efficacité de la génération de photocourant. La résonance de plasmon de surface localisée qui se produit à la surface des nanoparticules d'argent a sensiblement améliorée l'excitation électronique de porphyrine. / Polyoxometalates-porphyrin hybrid films were synthesized based on covalent or electrostatic interactions. Copolymeric polyoxometalate–porphyrin films were obtained by the electro-oxidation of zinc octaethylporphyrin (ZnOEP) or 5,15-ditolyl porphyrin (H2T2P) in the presence of a different type of polyoxometalates (POMs) bearing two pyridyl groups (py-POM-py). Three type of py-POM-py have been used: i) a tris-alkoxo functionalized Lindqvist polyoxovanadate, ii) an organosilyl functionalized Keggin-type [PW11Si2O40C26H16N2]3- and Dawson-type [P2W17Si2O62C26H16N2]6-, and iii) a bis-pyridine-substituted organo-polyoxometallic bricks using [P2W15V3O62]9− diolamide-grafting method with various geometries of the pendant group. All are applied for photocurrent generation and photocatalytical recovery of metals (Ag and Pt). Electrostatic POM-porphyrin films were also prepared by incorporated Preyssler type polyanion [NaP5W30O110]14- onto the electropolymerized polycationic porphyrin (poly-ZnOEP) with viologen or bis-viologen as spacers. [NaP5W30O110]14- as an efficient electron shuttle between the excited ZnOEP and viologen (or bis-viologen) which effectively retarded the fast charge pair recombination and enhanced the photocurrent magnitude. Later, we introduced nanoparticles POM@MNPs to a bis-porphyrin copolymer through metathesis reaction to further improve the efficiency of the photocurrent generation in which the localized surface plasmon resonance that occurs at the surface of silver nanoparticles has substantially enhanced the electronic excitation of surface-anchored porphyrin.

Notre étude porte sur l’identification des mécanismes de sorption des ions (poly)molybdate et (poly)tungstate sur différents substrats : les hydroxydes doubles lamellaires (LDH) et les (hydr)oxydes de fer (hématite, goethite, akaganéite et lépidocrocite). La spectroscopie infrarouge en réflexion totale atténuée (ATR-FTIR) est l’une des rares méthodes à permettre l’analyse in situ et l’observation des phénomènes de sorption en temps réel directement sur les surfaces. Il est ainsi possible d’obtenir des informations sur la spéciation de surface et de connaitre la géométrie des espèces adsorbées (monodentate, bidentate, polymère, …). Nous avons ainsi pu déterminer la différence de réactivité entre les différents matériaux lors de la sorption. Un échange d’ion (sphère externe) impliquant les anions polyoxométalate a lieu avec les hydroxydes doubles lamellaires tandis que des complexes de sphère interne ont été observés sur les oxydes de fer, avec des géométries différentes selon la structure de surface du solide. Cette étude expérimentale a été complétée par différents calculs de spectres vibrationnels, réalisé par DFT ab initio, qui ont confirmé la géométrie de surface des espèces adsorbées observées par infra-rouge. / Our study focuses on the identification of (poly)molybdate and (poly)tungstate ions sorption mechanisms on various substrates : layered double hydroxides (LDH) and iron (hydr)oxide (hematite, goethite, akaganeite and lepidocrocite). Attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR-FTIR) is one of the few methods that allow in situ analysis and observation of sorption mechanisms in real time directly on surfaces. Thus, information on surface speciation and the geometry of the sorbed species (monodentate, bidentate, polyanion, …) can be obtained. We were able to determine the reactivity differences between the materials during the sorption. Ion exchange (outer sphere) with polyoxometalate takes place within layered double hydroxides, while inner sphere complexes were observed on iron (hydr)oxides, with different geometries according to the structure of the solid surface. The experimental study was supported by vibrational calculations by ab initio DFT, which confirmed the surface geometry of the absorbed species observed by infrared spectroscopy.

Les polyoxométallates (POMs) peuvent être considérés comme des oxydes moléculaires de métaux de transition. Ils forment une famille de clusters moléculaires inorganiques dont les propriétés et les applications sont diverses et nombreuses. Ils sont notamment utilisés dans des domaines aussi divers que la catalyse, la biologie, ou encore la médecine. Les nanomatériaux de carbone sont une nouvelle classe de matériaux connus pour leur surface spécifique élevée et leur conductivité électrique accrue. Ce mémoire de thèse porte sur la synthèse et l’étude de différents systèmes moléculaires électro-catalytiques à base de POMs et de matériaux de carbone comprenant les nanotubes de carbone et le graphène, pour l’oxydation de l’eau ou la réduction des oxydes d’azote. La première partie de ce mémoire est consacrée à la synthèse, la caractérisation physico-chimique (spectroscopies infrarouge et UV-visible, analyse thermogravimétrique) et l’étude électrochimique (voltammétrie cyclique, coulométrie, microbalance couplé à l’électrochimie) d’un certain nombre de complexes poly-tungstiques prenant en sandwich des métaux de transition tels que le cobalt et/ou le manganèse. Deux d’entre eux, choisis pour l’étude de leurs propriétés électro-catalytiques, montrent une bonne activité électro-catalytique pour la réduction des oxydes d’azote et l’oxydation de l’eau. La seconde partie de ce mémoire est consacrée à l’optimisation des propriétés électrochimiques des POMs. Pour cela, les POMs sont immobilisés sur des matériaux de carbone structurés (graphène ou nanotubes de carbone simple paroi), et les matériaux hybrides obtenus sont caractérisés par différentes techniques analytiques : spectrométrie de photoélectrons X, spectroscopie infrarouge, voltammétrie cyclique et coulométrie. / Polyoxometalates (POMs) may be considered as molecular oxides containing transition metals. They form a family of inorganic molecular clusters with a variety of properties and a myriad of applications. They are used in different fields such as catalysis, biology or medicine. Carbon nanomaterials are a new class of materials known for their high surface area and enhanced electrical conductivity. This thesis focuses on the synthesis and study of different electro-catalytic molecular systems based on polyoxometalates and carbon materials (such as carbon nanotubes and graphene) for water oxidation or nitrogen oxides reduction. The first part of this thesis is devoted to the synthesis, physicochemical characterisation (infrared and UV-Vis spectroscopies, TGA) and the electrochemical study (cyclic voltammetry, coulometry, electrochemistry coupled with microbalance) of several poly-tungstic complexes sandwiching transition metals such as cobalt and/or manganese. Two of them, selected for the study of their electro-catalytic properties, show good electro-catalytic activity for nitrogen oxides reduction and water oxidation. The second part of this thesis is devoted to the optimisation of the electrochemical properties of POMs. For this, POMs are immobilised on structured carbon materials (graphene or single wall carbon nanotubes), and the composite materials obtained are characterised by different analytical techniques: X-ray photoelectron spectroscopy, infrared spectroscopy, cyclic voltammetry and coulometry.