Les oxydes de chrome permettent d’obtenir une large variété de couleurs, conduisant à leur utilisation répandue dans les arts céramiques. À la manufacture de Sèvres, leurs propriétés colorantes ont été explorées dès la découverte du chrome à la fin du 18ème siècle. Les travaux initiés par Brongniart ont conduit à une série de 76 pigments pour porcelaine composés d’oxydes de chrome, régulièrement synthétisés au laboratoire de la manufacture. Nous avons mené une étude exhaustive de ces pigments, permettant une classification basée sur leur analyse minéralogique et mettant en évidence le rôle du Cr3+ dans ces pigments, avec l’absence de Cr6+. Le mélange de ces pigments avec un composant incolore est appliqué sur la porcelaine, et porté à haute température afin d’obtenir un émail, c’est-à-dire une couche décorative partiellement vitreuse à la surface de la porcelaine. Les pigments composés de chrome se retrouvent dans les décors verts, roses, bleu-vert, marron et noirs. Après avoir caractérisé la spéciation et l’environnement du chrome dans l’ensemble de ces pigments, cette thèse s’est concentrée sur un pigment particulier, majoritairement composé de gahnite au chrome ZnAl2O4:Cr3+. Ce type de pigment a été identifié dans une série d’œuvres produites par la manufacture, entre la fin du 19ème et le début du 20ème siècle, correspondant à la période de l’art nouveau. La solution solide complète ZnAl2-xCrxO4 a été étudiée afin de préciser l’environnement structural du chrome, montrant l’importance des seconds voisins Cr dans les variations de couleur. Au cours de la cuisson de l’émail, un mécanisme de dissolution progressive des grains de pigments a été mis en évidence, résultant de l’interaction avec le composant incolore en cours de vitrification. Notre travail montre la faible solubilité du Cr dans le verre et sa spéciation préférentielle dans les cristaux, entrainant parfois des changements de phases ou des modifications de composition le long de solutions solides lors du traitement thermique à haute température. Ces modifications ont permis de mieux comprendre l’origine de la couleur dans les décors de porcelaine ainsi que les mécanismes de formation des émaux. / Chromium oxides are widely used in the ceramic industry because they are characterized by a large variety of colors. At the French porcelain manufacture of Sèvres, their coloring properties have been explored since the discovery of chromium at the end of the 18th century. The researches initiated by Brongniart lead to a group of 76 pigments for porcelain composed of chromium oxides, regularly synthesized at the laboratory of the manufacture. An exhaustive study was done on these pigments, which enables to propose a classification based on their mineralogical analysis and highlights the role of Cr3+ in the color of the pigments, without Cr6+. The mixture of one or two pigments and an uncolored frit is applied on the porcelain, and fired at high temperature to obtain a glaze, i.e. a partly glassy decorative layer on the top of the porcelain. Pigments composed of chromium are used to obtain green, pink, greenish-blue, brown and black glazes. This thesis focuses on a particular pigment, mainly composed of gahnite doped with chromium ZnAl2O4:Cr3+. This kind of pigment was identified in a collection of artefacts produced by the manufacture between the end of the 19th century and the beginning of the 20th century. This period corresponds to the artistic movement Art Nouveau. The solid solution ZnAl2-xCrxO4 was studied to get the structural environment of Cr, showing the role of the second neighbor Cr in the color variation. During firing of the glaze, a mechanism of gradual dissolution of the initial grains of pigments was determined, resulting of reactions with the uncolored frit. Our work shows the low solubility of Cr in glass and its preferential speciation in crystals, leading to crystalline phase changes or modifications of composition along solid solutions during the thermal treatment at high temperature. These modifications enable to understand the origin of color in porcelain glazes and the mechanism of glaze formation.

Le développement de sources d'énergie alternatives fiables et efficaces est aujourd'hui une nécessité. L'intérêt dans le reformage d'hydrocarbures liquides est ainsi croissant puisqu'il s'agit d'une voie pour l'alimentation des piles à combustible. Les piles à combustible ont une efficacité pour la conversion d'énergie en électricité plus grande que celle des moteurs à combustion et font ainsi partie de la recherche de solution en efficacité énergétique. Ces piles consomment de l'hydrogène comme combustible pour produire de l'électricité, d'où l'intérêt pour le reformage. En effet, cette réaction permet de produire de l'hydrogène et du monoxyde de carbone (un autre combustible des piles à combustible à électrolyte solide) à partir d'hydrocarbure liquide, notamment le diesel. Les piles pourraient donc être intégrées avec une unité de reformage leur fournissant directement le combustible nécessaire à partir de diesel. Dans ce projet de recherche, un nouveau catalyseur de nickel sous forme de spinelle nickel-alumine (spinelle NiAl[indice inférieur 2]O[indice inférieur 4] sur support d'alumine et de zircone stabilisée avec yttria) a été développé et testé en laboratoire pour du reformage de propane, d'hydrocarbures liquides et de diesel, à la vapeur d'eau. Par ailleurs, une méthode d'ajout des réactifs novatrice a été utilisée afin de diminuer la pyrolyse précédant le reformage, en utilisant une émulsion. Les résultats de reformage d'hydrocarbures purs ont montré des concentrations très près de l'équilibre thermodynamique et une activité constante sans désactivation du catalyseur ni formation de carbone, et ce avec des ratios H[indice inférieur 2]O/C de moins de 2.5 et des températures d'opération variant entre 630 [degrés Celsius] et 750 [degrés Celsius]. Lors de tests effectués en utilisant du diesel fossile, à 705 [degrés Celsius], avec un débit volumique des réactifs de plus de 50 000 cm[indice supérieur 3]g[indice inférieur cat][indice supérieur -1]h[indice supérieur -1] et un ratio H[indice inférieur 2]O/C de moins de 2.5, l'activité a été maintenue pendant plus de 15 heures, malgré une opération en cycles. L'analyse du catalyseur après cette utilisation n'a montré aucun carbone significatif sur la surface. En comparaison, un catalyseur de nickel métallique sur support d'Al[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3] et YSZ a été utilisé dans des conditions similaires. Il y a eu désactivation du catalyseur et obstruction du réacteur par du carbone après trois heures d'opération. L'analyse de ce catalyseur a permis de vérifier qu'il était recouvert de carbone en filament. L'analyse du système réactionnel a montré que la réaction est contrôlée par la réaction de surface et non par le transfert de masse. Par ailleurs, les analyses des catalyseurs de spinelle ont démontré qu'il n'y avait pas de modification de sa forme chimique ni de réduction du spinelle en nickel métallique après l'utilisation.

La société Rio Tinto Fer et Titane (RTFT), filiale à 100 % de Rio Tinto, a développé un procédé appelé UGS (upgraded slag) afin d’enrichir sa scorie de dioxyde de titane de 80% à 94,5% massique. Ce procédé génère une quantité non négligeable de résidu d’oxydes UGS (notés dans ce projet par UGSO), envoyé directement au dépôt des résidus miniers pour finir en enfouissement. Afin d’éviter cette dernière opération, RTFT a essayé sans grand succès différentes solutions. La composition chimique de ce déchet est considérée par le groupe de recherche développant ce projet (Université de Sherbrooke et Université Laval) comme étant à priori un support idéal pour des catalyseurs à base de nickel destinés au reformage des hydrocarbures car, de par leur nature, ils contiennent déjà les oxydes reconnus par la communauté scientifique pour leur capacité à éviter la formation de carbone, principale cause de désactivation de ces catalyseurs. En utilisant le nickel comme métal actif, un premier catalyseur, Ni-UGSO, est mis en œuvre par calcination à 900°C d’un mélange d’UGSO et d’un précurseur de nickel (du nitrate de nickel hexahydraté : Ni(NO3)2.6H2O). Le mélange est préparé selon un nouveau procédé à l’état solide amélioré développé au laboratoire (demande de brevet en internationale N° PCT/CA2016/050844 déposée le 19 juillet 2016). Dans ce travail, une première application du nouveau catalyseur Ni-UGSO à la production d’hydrogène via les procédés de reformage à sec, vaporeformage et reformage mixte du méthane (CH4) a été étudiée. Des conversions de CH4 de l’ordre de 87% avec des rendements de 81% ont été obtenus lors du reformage à sec à 810°C après 4 h de réaction avec un ratio CO2/CH4 stœchiométrique. Par vaporeformage, également avec un ratio H2O/CH4 stœchiométrique, les conversions atteignent les 98% après 4h de réaction à 900°C. Les ratios H2/CO proche de 1 (reformage à sec) et de 3 (vaporeformage) indiquent que les réactions se déroulent proche de l’équilibre thermodynamique. De même, dans les deux cas de figure, les catalyseurs ont montré une stabilité exceptionnelle pendant 7 jours de réaction continue et une facilité de régénération. D’autres performances, également intéressantes, ont été obtenues par reformage mixte du CH4. De surcroît, les différentes techniques de caractérisation n’ont détecté aucune trace de carbone dans les catalyseurs usés. Le reformage à sec du CH4 a également été simulé grâce à un modèle basé sur une cinétique de Langmuir–Hinshelwood.

Le CO2 est une source de carbone propre pour les réactions chimiques, nombreux chercheurs ont étudié l'utilisation du CO2. Les alcools supérieurs sont des additifs de carburant propres. La synthèse des alcools supérieurs à partir de l'hydrogénation du CO a également été étudiée par de nombreux chercheurs, mais il existe peu de littératures sur la synthèse des alcools supérieurs à partir de l'hydrogénation du CO2, qui est une réaction complexe et difficile. Les catalyseurs utilisés pour la synthèse des alcools supérieurs nécessitent au moins deux phases actives et une bonne synergie. Dans notre étude, nous avons étudié les catalyseurs spinelle basés sur Co. Cu. Fe et l'effet des supports (CNTs et TUD-1) et celui des promoteurs (K, Na, Cs) à la réaction de HAS. Nous avons trouvé que le catalyseur CuFe-précurseur-800 est favorable pour la synthèse d'hydrocarbures en C2+ et d'alcools supérieurs. Dans l'hydrogénation du CO2, Co agit comme catalyseur de méthanisation plutôt que comme catalyseur FT, en raison du mécanisme de réaction différent entre l'hydrogénation du CO et celle du CO2. Afin d'inhiber la formation d'hydrocarbures de quantités importante, il est préférable de choisir des catalyseurs sans Co dans la réaction d'hydrogénation du CO2. En comparant les fonctions des CNT et du TUD-1, nous avons constaté que le CNT est un support parfait pour la synthèse de produits à longue chaîne (alcools supérieurs et hydrocarbures C2+). Le support TUD-1 est plus adapté à la synthèse de produits à un seul carbone (méthane et méthanol) .L'addition d'alcalis en tant que promoteurs conduit non seulement à augmenter la conversion de CO2 et H2, mais augmente également la sélectivité des produits visés fortement, des alcools supérieurs. Le catalyseur 0.5K30CuFeCNTs possède une productivités les plus élevées (370.7 g ∙ kg-1 ∙ h-1) d'alcools supérieurs à 350 ° C et 50 bar. / CO2 is a clean carbon source for the chemical reactions, many researchers have studied the utilization of CO2. Higher alcohols are clean fuel additives. The synthesis of higher alcohols from CO hydrogenation has also been studied by many researchers, but there are few literatures about the synthesis of higher alcohols from CO2 hydrogenation, which is a complex and difficult reaction. The catalysts that used for higher alcohols synthesis need at least two active phases and goodcooperation. In our study, we tested the Co. Cu. Fe spinel-based catalysts and the effect of supports (CNTs and TUD-1) and promoters (K, Na, Cs) to the HAS reaction. We found that catalyst CuFe-precursor-800 is beneficial for the synthesis of C2+ hydrocarbons and higher alcohols. In the CO2 hydrogenation, Co acts as a methanation catalyst rather than acting as a FT catalyst, because of the different reaction mechanism between CO hydrogenation and CO2 hydrogenation. In order to inhibit the formation of huge amount of hydrocarbons, it is better to choose catalysts without Co in the CO2 hydrogenation reaction. Compared the functions of CNTs and TUD-1, we found that CNTs is a perfect support for the synthesis of long-chain products (higher alcohols and C2+ hydrocarbons). The TUD-1 support are more suitable for synthesis of single-carbon products (methane and methanol).The addition of alkalis as promoters does not only lead to increase the conversion of CO2 and H2, but also sharply increased the selectivity to the desired products, higher alcohols. The catalyst 0.5K30CuFeCNTs owns the highest productivities (370.7 g∙kg-1∙h-1) of higher alcohols at 350 °C and 50 bar.

Les matériaux luminescents sensibles à la température ou l’exposition auxrayons ultra-violets sont de plus en plus recherchés. Dans ces travaux, deux famillesde composés ont été synthétisés et caractérisés.La première famille est celle des composés ZnAl2O4 dopés aux ionsmanganèse de structure spinelle. Ces composés présentent des propriétés dethermo-chromo-luminescence irréversible avec une variation d’émission du rouge auvert en fonction de l’histoire thermique subie par le matériau. Ici les variations delongueurs d’onde d’émission sont dues au changement de l’environnement des ionsluminescents manganèse en fonction de la température. Il a été démontré que lagamme de température de commutation peut être modulée par une variation de lacomposition de la matrice hôte. La seconde famille est celle des elpasolites decomposition Rb2KInF6 dopé au cérium. Ces composés présentent des propriétés dephoto-chromo-luminescence réversible par oxydo-réduction entre les ions cérium etindium. Sous irradiation UV, il est possible de créer des espèces (In+) quiluminescent dans le rouge. Nous avons montré que le retour aux propriétés initialespeut avoir lieu sous irradiation UV à plus hautes longueurs d’onde ou par chauffage.La spécificité du phénomène associé à cette structure et cette compositionparticulière peut s’expliquer par des considérations structurales, la situation spatialedes ions cérium et indium permettant des échanges électroniques par recouvrementorbitalaire de ces deux ions. / Research for luminescent materials sensitive to temperature or UV exposurevariation are increasing. Here we manage to synthesized and characterized materialswhich show such properties.First, spinel structure materials as ZnAl2O4 doped with manganesecompounds exhibit irreversible thermo-chromo-luminescence properties. Thismaterial shows a variation of emission wavelength from red to green with a variationof the thermal history of the sample. These variations are due to a modification of themanganese environment in the structure with the temperature. It was demonstratedthat the temperature range of the luminescence switch can be tuned by themodification of the matrix composition. Secondly, cerium-doped Rb2KInF6compounds with elpasolite structure exhibit reversible photo-chromo-luminescenceproperties. Under UV irradiation, new luminescent species (In+), created by redoxreaction between Ce3+ and In3+ species, and which emits in the red range, can beproduced. We demonstrate the reversibility of the phenomenon by UV irradiation orafter a thermal treatment. The specificity of these properties with this structure andthis composition can be explained by structural consideration: Ce3+ and In3+positioning in the cell allowing electronic exchanges between these ions thanks toorbital overlap.

Des couches minces à base de NiFe2O4 et CoCr2O4 ont été réalisées par pulvérisation cathodique sur des substrats d'oxydes, dans le but de les intégrer dans des hétérostructures pour l'électronique de spin.<br />Il a été montré que la croissance épitaxiale permet la stabilisation de nouvelles phases de NiFe2O4 qui n'existent pas sous forme massive. Ces phases présentent une augmentation forte du moment magnétique ou la possibilité d'ajuster les propriétés électriques du matériaux. Nous expliquons l'augmentation du moment magnétique par une inversion partielle des sites cationiques du NiFe2O4, matériau dans lequel les ions Ni2+ sont répartis entre les deux sites de la structure spinelle. Les lacunes en oxygène sont susceptibles de favoriser un comportement conducteur en induisant des états de valence mixte Fe2+/3+ dans les sites octaédriques. <br />Des couches minces de NiFe2O4 conducteur ont été utilisées comme électrodes ferrimagnétiques dans des jonctions tunnel. Une magnétorésistance significative a été mesurée, correspondant à une polarisation de spin de 40% du NiFe2O4 pratiquement constante en température. Le NiFe2O4 isolant a été incorporé avec succès en tant que barrière tunnel ferrimagnétique au sein de jonctions de type "filtre à spin", ce qui en fait la première structure de ce type réalisée avec des oxydes complexes. <br />Il a été mis en évidence que les couches minces de CoCr2O4 ont une tendance forte à croître de manière tridimensionnelle de la forme des objets pyramidaux aux facettes parfaitement définies. Cette croissance auto-organisée de nano-objets et sa dépendance à l'égard des conditions de dépôt été étudie en detail.

Ce mémoire décrit la synthèse, la caractérisation – notamment thermogravimétrique et structurale – et les propriétés d'intercalation électrochimique du lithium de plusieurs types d'oxydes de manganèse. On décrit tout d'abord la préparation d'une 'ramsdellite synthétique', à faible taux de défauts structuraux de type rutile. Les oxydes de manganèse lamellaires (phyllomanganates) ont donné lieu à une nouvelle voie de synthèse du phyllomanganate de lithium par une succession de réactions topotactiques (échanges d'ions) à basse température. Sa stabilité thermique et ses propriétés d'intercalation sont examinées en comparaison avec celles du composé de sodium. La majeure partie de ce mémoire est consacrée aux spinelles Li1+xMn2–xO4, qui sont des matériaux d'électrode positive prometteurs pour les accumulateurs au lithium. Ce travail montre la faisabilité de synthèses à basse température à partir de béta-MnO2 (procédé breveté), et l'existence d'une corrélation entre température de synthèse et composition de la phase spinelle. L'intercalation du lithium est étudiée en électrolyte solide et liquide pour plusieurs compositions. L'emploi d'une cellule électrochimique in situ dans un diffractomètre de rayons X a permis de mettre en évidence le caractère biphasé de l'intercalation, même pour des spinelles de Li:Mn = 0.69. Les performances électrochimiques de spinelles substituées au magnésium et à l'aluminium sont également examinées. L'étude thermogravimétrique des spinelles Li–Mn–O a permis de mettre en évidence des réactions réversibles avec dégagement d'oxygène. Des affinements structuraux à partir de diagrammes de diffraction neutronique mettent en évidence des réactions différentes en fonction de la température d'équilibre, avec apparition de lacunes d'oxygène dans un échantillon trempé à 925°C. Enfin, un nouveau composé appelé "phase m", de formule Li0.25MnO2, a été obtenu à 150°C. Sa caractérisation structurale aux rayons X et par diffraction électronique montre qu'il s'agit d'une phase nouvelle monoclinique avec une sous-structure pseudo-hexagonale proéminente.

Les propriétés spectroscopiques des monocristaux de α-ZnAl2S4, semi-conducteurs de type spinelle avec une large bande interdite, dopées par les ions des métaux de transition sont investigués et leur interprétation est donnée. Les monocristaux, obtenus par la méthode de transport chimique en phase vapeur avec la concentration des impuretés dopantes compris entre 0.01 - 0.1% at., représentent des octaèdres homogènes optique avec des faces orientent (111). Les analyses par les rayons X ont confirmé que tous les échantillons ont cristallisés dans une structure normale de type spinelle avec la symétrie cubique Fd3m (Oh7). Les monocristaux de α-ZnAl2S4 : Ti manifestent des propriétés radiatives dans le domaine spectral du proche infrarouge 0.8-1.4μm. Les résultats spectroscopiques obtenus dans l'intervalle des températures 10-300K (les spectres de la photoluminescence stationnaire et résolue en temps, de l'absorption et de l'excitation de la photoluminescence) sont interprétés dans les termes d'un cluster composé par un ion de Ti4+ dans une configuration octaédrique des six ions de soufre. Les bandes spectrales observées sont attribuées à des transitions électroniques survenues d'un transfert de charge ligand Ti4+ pour les sites octaédriques de titane, qui est en concordance avec la évidence expérimentale de l'absence du RPE signale des ions de Ti. Les constantes vibroniques des niveaux excités et l'auteur de la barrière potentielle entre eux ont étés calculés. La structure des spectres d'absorption et de la luminescence des monocristaux de α-ZnAl2S4 :Co est déterminé par les transitions électroniques des ions de Co2+ localisés dans des sites tétraédriques. Quatre composantes spectrales radiatifs sont révélés en utilisant la spectroscopie résolue en temps sous différentes longueur d'onde d'excitation et il est montré que la photoluminescence des monocristaux de α-ZnAl2S4 : Co est dû aux transitions électroniques entre les niveaux excités des ions de Co2+. Les valeurs calculées des constantes de l'interaction spin - orbite des niveaux excités indiquent une faible influence du part de champ cristallin et une forte interaction spin - orbite. L'absorption optique et la photoluminescence des monocristaux de α-ZnAI2S4 : V sont déterminées des transitions électroniques du vanadium trivalent situé dans des sites octaédriques. L'augmentation de la température est accompagnée par l'amplification de la luminescence intégrale et l'élargissement du spectre centré à λ =1.4μm. Trois composantes spectrales radiatifs de α-ZnAI2S4 : V révélés aux basses températures sont dû aux transitions électroniques des ions de V3+. D'après l'analyse comparative des propriétés spectroscopiques des monocristaux de type spinelle de α-ZnAl2S4 dopés par les ions des métaux de transition Ti, Co, et V, le plus favorable comme milieux actifs laser, est le composée α-ZnAl2S4 : V3+, qui pourrais assurer l'émission dans le domaine des longueurs d'ondes 1.2-1.6μm, ce qui correspondent à la région spectrale utilisée par les systèmes des communications sur fibre optique.

The ternary spinel-type compounds CdCr2Se4, CdCr2S4, HgCr2Se4, and CuCr2Se4 with Cr as transition metal form a special group of ferromagnetic semiconductors with Curie temperatures up to 430 K. They have particular perspectives in spintronics due to the coexistence of semiconducting and ferromagnetic properties. In this work the ferromagnetic semiconductors were investigated by the hyperfine interactions of implanted nuclear probes using the PAC (perturbed angular correlations) spectroscopy. In such compounds both magnetic hyperfine fields (Bhf) and electric field gradients (efg) allow a detailed study of the behavior of probes, which can additionally represent essential doping atoms in these substances. Besides the popular 111In(111Cd), also 111mCd, 111Ag(111Cd), 77Br(77Se), 117Cd(117In), 199mHg, and 100Pd(100Rh) probes were used exploiting the unique possibilities at the ISOLDE on-line separator and implanter (CERN, Geneva, Switzerland). The main objective of these investigations was to examine the lattice site occupation and the behavior of the implanted probes. In addition, the experimental hyperfine fields were used as test quantities for modern ab initio calculations of the electronic and spin structure (WIEN97).

Le cuivre, qui peut être stabilisé sous divers degrés d'oxydation et dans une variété d'environnements est un agent chromophore connu dans le solide. Dans les oxydes à base de zinc Zn1-xCuxAl2O4 de type spinelle obtenus par voie solide, la distribution cationique conditionne les propriétés d'absorption dans l'UV, le visible et l'IR de la série. Les contraintes électroniques et stériques associées à l'effet Jahn-Teller du cation Cu2+ se traduisent de plus par une variation des propriétés structurales en particulier autour de deux compositions critiques. Par voie d'estérification, il est possible de stabiliser une valence mixte pour le cuivre dans ces mêmes spinelles, et ce d'autant plus quand la composition du spinelle est proche de la première composition critique mise en évidence précédemment. Les propriétés d'absorption sont également affectées par la présence de cette valence mixte. Pour l'oxyde de zinc dopé au cuivre de type würtzite, l'état d'oxydation et l'environnement du cuivre sont délicats à déterminer. Une analyse RPE basse température indique la présence de clusters moléculaires [CuO4] écrantés du champ cristallin, conférant à ce matériau des propriétés d'absorption originales dans l'IR. Enfin, un effet thermochrome irréversible dans le cas des spinelles Zn1-xCuxAl2O4 et réversible dans le cas de la würtzite ZnO :Cu à haute température a été mis en évidence au cours de ce travail. Ces effets sont associés à la variation de la valence du cuivre pour le cas des spinelles, et à la variation de la covalence de la liaison cuivre-oxygène dans le cas de la würtzite.