Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement d’un procédé innovant de conditionnement de déchets nucléaires contenant des métaux contaminés en actinides. Le principe de ce procédé consiste à incorporer des concentrations élevées en actinides dans un bain de verre au contact de métaux fondus. Parmi eux, l’aluminium et/ou l’acier inoxydable imposent un environnement très réducteur et induisent des phénomènes d’oxydoréduction au sein du verre. Ces phénomènes provoquent un changement du degré d’oxydation des actinides qui modifie leur solubilité dans le verre et peut potentiellement entraîner leur réduction à l’état métallique. Afin de mieux comprendre les processus mis en jeu, cette étude va s’intéresser au comportement de l’uranium et de ses simulants à savoir l’hafnium et le néodyme, dans des verres aluminosilicatés du système Na2O-CaO-SiO2-Al2O3 et élaborés en conditions très réductrices. La première partie de ce manuscrit est consacrée à l’étude comparative des solubilités de l’uranium et de l’hafnium dans le verre en fonction des conditions redox et de la composition du verre. Pour cela, une méthodologie a été mise en place et un montage spécifique a été utilisé afin d’imposer la fugacité en oxygène et de contrôler la teneur en alcalins du verre. Les résultats indiquent que la solubilité de l’uranium dans le verre est très inférieure à celle de l’hafnium (HfIV) dans des conditions réductrices. Pour des fugacités en oxygène inférieures à 10-14 atm, la solubilité de l’uranium est comprise entre 4 et 7 % massiques d’UO2 dans la gamme de températures de 1250°C-1400°C. L’étude de la spéciation de l’uranium par spectroscopie d’absorption des rayons X (XANES) montre que l’uranium est majoritairement présent sous la forme UIV dans le verre pour de telles fugacités en oxygène imposées. Dans la seconde partie de ce travail, les mécanismes d’interactions verre-métal ont été identifiés afin de localiser l’uranium ainsi que ses simulants (néodyme et hafnium) dans le système verre-métal. Ces mécanismes sont principalement gouvernés par la présence d’aluminium métal et sont similaires pour l’uranium et ses simulants. Dans des conditions particulières, le suivi cinétique des expériences met en évidence la présence transitoire de l’uranium et de ses simulants à l’état métallique dans des alliages ou des composés définis. Au cours du temps, une ré-oxydation de ces éléments métalliques a lieu en accord avec les données thermodynamiques. Dans le cas de l’uranium, le processus de ré-oxydation reste à confirmer. Enfin, une approche thermodynamique à l’aide des diagrammes de phases a permis d’expliquer la formation et la dissolution des différentes phases cristallines présentes au sein du verre lors des interactions verre-métal / This study concerns an innovative process used for conditioning nuclear waste that contain metallic parts contaminated with actinides. High actinides concentrations are expected to be incorporated in the glass melt in contact with the molten metals. Among these metals, aluminum and/or stainless steel impose a strongly reducing environment to the glass melt involving redox reactions. These reactions modify actinides oxidation states and therefore change their solubilities in the glass and could also reduce them into the metallic form. In this work, we focus on the behavior of uranium and its surrogates, namely hafnium and neodymium, in aluminosilicate glasses from the Na2O-CaO-SiO2-Al2O3 system melted in highly reducing conditions. The first step consists in comparing the hafnium and uranium solubilities in the glass as functions of redox conditions and glass composition. A methodology has been set up and a specific device has been used to control the oxygen fugacity and the alkali content of the glass. The results show that uranium is far less soluble in the glass than hafnium (HfIV) in reducing conditions. The uranium solubility ranges from 4 to 7 wt% UO2 for an oxygen fugacity below 10-14 atm at 1250°C-1400°C. Uranium oxidation states have been investigated by X-ray absorption spectroscopy (XANES). It has been pointed out that UIV is the main form in the glass for such imposed oxygen fugacities. The second step of this work is to identify the glass-metal interaction mechanisms in order to determine the localization of uranium and its surrogates (Nd, Hf) in the glass-metal system. Mechanisms are mostly ruled by the presence of metallic aluminum and are similar for uranium, neodymium and hafnium. Glass-metal interaction kinetics demonstrate that uranium and its surrogates can temporarily be reduced into the metallic form for particular conditions. A re-oxidation occurs with time which is in good agreement with thermodynamics. Regarding uranium, the re-oxidation process must be corroborated. Finally, the formation and dissolution processes of the different crystalline phases observed during these glass-metal interactions have been studied using a thermodynamic approach based on phase diagrams

Le développement des sources laser ultra-brèves permet de nos jours de porter la matière dans des états extrêmes de densité et de température. Un des régimes pouvant être atteint dans ces conditions porte le nom de « Warm Dense Matter », ou matière dense et tiède. On peut la retrouver au coeur de larges planètes comme Jupiter ou dans la fusion par confinement inertiel. Les modèles de la physique usuellement utilisés ne permettant pas de décrire correctement le comportement de la matière dans ce régime, de nombreuses recherches scientifiques, à la fois expérimentales et théoriques, sont aujourd’hui orientées vers ce sujet. Sur le long terme, il s’agirait de déterminer les propriétés macroscopiques de cet état tel que les coefficients de transports et les équations d’états. De plus, le fait de travailler avec des lasers sur des échelles de temps très courtes (dans notre cas inférieures à la picoseconde) induit des phénomènes dits « hors-équilibre thermique » durant lesquels les électrons atteignent une température importante alors que les atomes restent froids. S’en suit alors une équilibration de ces deux températures, et la plupart du temps une transition de la phase solide à la phase liquide/plasma suivant l’intensité du laser employé. Pour certains métaux, appelés métaux nobles (or, argent, cuivre), un retard à la fusion est suspecté par des simulations de dynamique moléculaire quantique, du fait d’un renforcement de la stabilité du réseau cristallin. Mon travail de thèse se propose d’étudier ce phénomène par le biais de la spectroscopie XANES, technique de spectroscopie fine d’absorption X. Potentiellement, elle permet de suivre à la fois l’évolution de la structure électronique (états électroniques près du continuum), et celle du réseau cristallin (ordre local). Il s’agit de réaliser des expériences résolues en temps, basées sur un schéma pompe-sonde : une impulsion sonde de rayons X vient caractériser l’état d’un échantillon à différents délais, après le chauffage par une impulsion laser pompe qui le porte dans le régime de la Warm Dense Matter. En parallèle, je réalise des simulations numériques basées sur la dynamique moléculaire quantique pour produire des spectres XANES, et interpréter ainsi les données en termes d’évolution ultra-rapide de la structure électronique et atomique de l’échantillon. Ce travail présentant de grands défis, sur les deux plans de l’expérience et des calculs, nous avons choisi de concentrer l’étude sur le cuivre près de ses flancs L d’absorption X (~ 932 et ~ 952 eV). / Ultrashort laser sources development enables nowadays the possibility for matter to reachboth extreme pressure and temperature (~10 000 K) conditions, or what we call "WarmDense Matter ". Working with femtosecond lasers leads to out-of-equilibrium phenomenaduring which a large amount of energy is deposited in the electrons while the lattice remainscold. We used XANES spectroscopy to follow both the ultrafast evolution of the electronicstructure and the local atomic order after the irradiation of such a laser. Moreover,we can nowadays employ Quantum Molecular Dynamics to simulate Warm Dense Matter.We computed XANES spectra for thermal out-of-equilibrium situations and inthermodynamic configurations similar to the experimental ones. The confrontation of experimental data and these calculations brings a deep understanding of the phenomena involvedand their evolutions. The present study deals with the X-ray absorption near copper L3 andL2 edges (respectively 932 and 952 eV). Calculations show a pre-edge structure in the spectra,the evolution of which gives the electronic temperature dynamics. These simulationsalso suggest that the loss of the crystalline order should give rise to the disappearance ofthe post-edge structures. Several experiments have been realized using Eclipse laser and atable-top station dedicated to time-resolved XANES measurements at CELIA laboratory.At frst, some XANES spectra have been acquired using an X-ray source produced by theirradiation of a CsI solid target. This source duration of ~2 10 ps rms { approximately thethermal equilibration timescale for copper { restrained our temporal resolution. We thenused a xenon clusters gas jet to produce an X-ray source of comparable emissivity but asignificantly shorter duration. Numerous out-of-equilibrium XANES spectrahave been acquired and for diferent excitation degrees. The excellent signal-to-noiseratio allows us to follow the evolution of the post-edge structure and deduce the associateddynamics of the loss of crystalline structure. Finally, we performed the same experimentwith an X-ray source coming from the betatron radiation at LOA laboratory. With thissource, a temporal resolution of ~ 100 fs was achieved and allows us to fully characterizethe instantaneous heating of the electrons by the laser and far-from-equilibrium states.

L'étude des nanoagrégats métalliques supportés sur des oxydes est d'une importance primordiale autant au niveau fondamental que technologique, notamment dans le domaine de l'énergie. Les nanoparticules à base de platine supportées sur alumine Gamma sont largement utilisées comme catalyseurs hétérogènes ultradispersés, en particulier sous atmosphère réductrice d'hydrogène. Leur réactivité et leur sélectivité sont intimement liés à la géométrie locale et à la densité électronique des sites actifs. Ces dernières sont particulièrement ardues à définir, étant donnée la très faible taille des agrégats étudiés (environ 0.8 nm de diamètre). La spectroscopie XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure), nécessitant un rayonnement synchrotron, est un des outils les plus appropriés pour étudier ces systèmes, en particulier in situ, à l'échelle atomique. En effet les spectres XANES sont influencés par la géométrie locale et la symétrie de l'environnement des atomes (en particulier les angles entre les liaisons), le degré d'oxydation, les types de liaisons mis en jeu, et la structure électronique du système. Tous ces facteurs sont néanmoins difficiles à différencier et même à interpréter. Il est donc impossible de déduire de manière précise la structure des particules métalliques par la seule expérience, sans aucune comparaison avec des spectres simulés. La mise en place de modèles théoriques devient alors nécessaire. Nous mettons donc en oeuvre une approche associant expériences XANES haute résolution in situ et simulations quantiques, ces dernières visant à la proposition de modèles structuraux pertinents, à la quantification de la réactivité des agrégats et au calcul des caractéristiques spectrales pour comparaison à l'expérience. L'identification de la morphologie des particules, de l'interaction métal-support et du taux de couverture en H est ainsi rendue possible par l'association de l'expérience et du calcul. La bibliothèque de modèles existants de particules monométalliques de Pt supportées sur de l'alumine Gamma avec ou sans hydrogène adsorbé, est complétée par des modèles hydrogénés sur la face (110) et par des modèles de différentes tailles hydrogénés sur la face (100). Cette bibliothèque devenue assez complète a permis une étude de l'influence de la taille des particules, de leur morphologie, de leur structure électronique, des différentes face de l'alumine Gamma, ainsi que du taux de couverture en hydrogène sur la signature des spectres XANES. Cette première étude des catalyseurs monométalliques de platine, se conclue par la discrimination de certaines morphologies, mais surtout la quantification du taux de couverture en hydrogène des particules. Ensuite, des modèles de particules bimétalliques platine – étain supportés sur la face (100) de l'alumine Gamma sont élaborés avec adsorption d'hydrogène. Ces modèles permettent de mieux comprendre l'influence de l'étain sur la morphologie, les propriétés électroniques et l'interaction avec le support et l'hydrogène de ces agrégats. Différentes compositions ont été explorées, ce qui a apporté des informations sur la dilution du platine par l'étain. L'adsorption d'hydrogène a alors été étudiée sur des agrégats de Pt10Sn3 supportées sur la face (100) de l'alumine Gamma. Bien que de nombreux paramètres ne sont pas encore pris en compte dans ces modèles, la comparaison à l'expérience permet déjà d'avoir une première approximation sur la description de systèmes bimétalliques. / The study of metallic nanoclusters supported on oxides is of paramount fundamental and technological importance, particularly in the field of energy. The nanoparticles based on platinum supported on gamma alumina are widely used as highly dispersed heterogeneous catalysts especially under reducing hydrogen atmosphere. Their reactivity and selectivity are intimately related to the local geometry and the electronic density of active sites. These are particularly difficult to define, given the very small size of the studied particles (about 0.8 nm in diameter). XANES (X-Ray Absorption Near Edge Structure) spectroscopy requiring synchrotron radiation, is one of the most appropriate tools to study these systems, especially in situ, at the atomic scale. Indeed the XANES spectra are influenced by the geometry and symmetry of the atoms local environment (especially angles between bonds), the degree of oxidation, the bond types involved, and the electronic structure of the system . All these factors are nevertheless difficult to differentiate and even to interpret. It is therefore impossible to infer accurately the structure of the metal particles by experience alone, without any comparison with simulated spectra. The establishment of theoretical models becomes necessary. We are implementing an approach that combines high-resolution XANES experiments in situ and quantum simulations, the latter aimed at proposing relevant structural models to quantify the reactivity of the particles and calculating spectral characteristics for comparison to experiment. The identification of the clusters morphologies, the metal-support interaction and the hydrogen coverage is made possible combining experiments and quantum calculations. The library of existing monometallic Pt particles models supported on Gamma alumina with or without adsorbed hydrogen, is refined. New models considering the two main surface of Gamma alumina, the particle size and hydrogen adsorption are developed. This extended library of models enabled a study of the effect of particle size, morphology, electronic structure, different alumina faces, and the hydrogen coverage on the signature of XANES spectra. This first study of monometallic platinum catalysts, concludes with the discrimination of the morphologies, but especially with the quantification of the hydrogen coverage of the particles for each temperature and hydrogen pressure experimental condition. Then, models of bimetallic Platinum-tin particles supported on the (100) Gamma alumina face are performed with hydrogen adsorption. These models provide insights into the effect of tin on the morphology, the electronic properties and the interaction with the support and hydrogen of these clusters. Different compositions were explored, which provided information on the dilution of platinum by tin. The adsorption of hydrogen was then studied on Pt10Sn3 clusters supported on the (100) face of alumina. Although many parameters are not yet included in these models, the comparison to the experience already provides a first approximation to the description of bimetallic systems.

Les bactéries magnétotactiques (MTB) sont des organismes capables de synthétiser des cristaux magnétiques au sein d’un organite particulier, le magnétosome. L’assemblage de ces magnétosomes leur confère des propriétés d’aimantation et d’orientation dans les champs magnétiques. Dans le contexte de l’essor des biotechnologies, nous avons procédé à la fonctionnalisation des MTB pour des applications de bioremédiation du cobalt.Nous avons ainsi développé des vecteurs adaptés aux MTB pour l’expression de machineries enzymatiques de Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa permettant la production de métallophores analogues à la nicotianamine. Nous avons observé un phénotype double, d’augmentation de la résistance aux métaux et d’augmentation de l’accumulation du cobalt que ce soit chez Escherichia coli ou les MTB Magnetospirillum magneticum AMB-1 et Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1. Nous avons également observé que l’expression de systèmes d’import des métaux tel que la NiCoT perméase NxiA de Rhodopseudomonas palustris dans des souches exprimant les analogues de la nicotianamine permet d’accroître encore l’accumulation des métaux.De plus, nous avons montré que la production de ces analogues permet un enrichissement en cobalt des magnétosomes, mais ne conduit pas à de modification de la spéciation de ce métal chez les MTB.Nous proposons donc ici l’utilisation des MTB comme châssis cellulaire pour de nouvelles applications biotechnologiques. / Magnetotactic bacteria (MTB) are organisms able to synthesize magnetic crystals within a specific organelle, the magnetosome. The assembly of these magnetosomes gives them magnetization and orientation properties in magnetic fields. In the context of the development of biotechnology, we have performed the functionalization of MTBs for cobalt bioremediation applications.We have thus developed vectors suitable for MTB for the expression of enzymatic machineries of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa allowing the production of metallophores analogous to nicotianamine. We observed a double phenotype, increased resistance toward metals and increased cobalt accumulation in Escherichia coli or MTBs Magnetospirillum magneticum AMB-1 and Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1. We have also observed that the expression of metal import systems such as Rhodopseudomonas palustris NiCoT permease NxiA in strains expressing nicotianamine analogs further increases the accumulation of metals.Moreover, we have shown that the production of these analogs allows a cobalt enrichment of the magnetosomes, but does not lead to a modification of the speciation of this metal in MTB.We introduce here the use of MTBs as cellular chassis for new biotechnological applications.

Uma série de amostras do sistema catalítico V2O5/TiO2 foi preparada pelo método sol-gel com diferentes teores da fase ativa (de 0 a 9% em massa de V2O5) e calcinada em diferentes temperaturas (de 250 a 6000C). Sistema similar foi obtido pelo método de impregnação para a comparação. Os catalisadores foram caracterizados quanto suas propriedades texturais e estruturais pelas técnicas de Adsorção de N2 a 77K, Difratometria de Raios-X (DRX), Espectroscopia Raman, Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR), Espectroscopia de Fotoelétrons Excitados por Raios-X (XPS) e Espectroscopia de Absorção de Raios-X (XAS). Testes catalíticos para a verificação da atividade e seletividade foram realizados frente à reação de conversão do metanol. O sistema obtido pelo método sol-gel apresentou elevada área superficial e porosidade, as quais foram ampliadas com o aumento do teor de vanádio e reduzidos com o aumento da temperatura de calcinação. O sistema preparado por impregnação apresentou as mesmas propriedades texturais do suporte comercial. A análise de DRX identificou a existência de TiO2 nas formas cristalográficas anatásio e rutilo, não foi identificada a presença de V2O5 na forma cristalina. No sistema preparado por impregnação a estrutura cristalográfica do suporte se mantém, independente do teor de vanádio, porém a partir de 6% de V2O5 foi identificado à presença de V2O5 cristalino. Os espectros de Raman mostraram a presença de dois grupos superficiais de vanádio, os vanadilos monoméricos e os vanadatos poliméricos mesmo em elevados teores de vanádio, nos sistemas preparados pelo processo sol-gel. Nos catalisadores obtidos por impregnação foram identificados modos vibracionais referentes ao V2O5 cristalino.Os resultados obtidos por XAS confirmaram os obtidos por DRX e indicaram a presença de vanádio V4+ e V5+, porém com simetria diferente da forma cristalina V2O5. A determinação da razão entre os átomos V/Ti superficiais feita por XPS mostrou ser crescente com o aumento do teor de vanádio. Os espectros de EPR indicaram a presença de pelo menos três famílias de íons V4+ em diferentes simetrias, duas delas inseridas na matriz da titânia na fase rutilo e a outra dispersa na superfície. O sistema obtido por impregnação apresentou poucos íons V4+. Os testes catalíticos revelaram que a atividade e seletividade catalítica foram praticamente as mesmas para os sistemas preparados pelos dois métodos. Entretanto, a estabilidade catalítica do sistema obtido via sol-gel foi superior ao sistema preparado por impregnação. / A series of samples of the catalytic system V2O5/TiO2 was prepared by the sol-gel method with different proportions of the active phase (from 0 to 9% in mass of V2O5) and calcined in different temperatures (from 250 to 6000C). A similar system was obtained by the impregnation method for comparison. The catalyst were characterized by their textural and structural properties by Adsorption of N2 at 77K, X-Ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, Electronic Paramagnetic Resonance (EPR), X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and X-Ray Absorption Spectroscopy (XAS). Catalytic tests for the verification of the activity and selectivity were performed by the conversion reaction of the methanol. The system obtained by the sol-gel method presented a high superficial area and porosity, which were enlarged by the increase of vanadium proportion and reduced with increase of the calcinations temperature. The system prepared by impregnation presented the same textural proprieties of the commercial support. XRD analysis identified the existence of TiO2 in two crystallographic forms, anatase and rutile. It was not identified the presence of V2O5 in the crystalline form. In the system prepared by impregnation the crystallographic structure of the support keeps, independent of the vanadium content, however starting from 6% of the vanadia was identified crystalline V2O5. Raman spectra showed the presence of two superficial groups of vanadium, the monomeric vanadyls and the polymeric vanadates even for elevated contents of vanadium, in the system prepared by the impregnation method vibrational modes were identified referring to V2O5 crystalline. The results obtained by XAS confirmed the obtained by XRD and indicated the presence of V4+ and V5+, however with different symmetry from the V2O5 in a crystalline form. The determination of the proportion between the surface V/Ti atoms determined by XPS showed to be increased with the increase of the vanadium content. EPR spectra indicated the presence of at least three V4+ion families in different symmetries; two of them inserted in the matrix of titania in the rutile phase and to other dispersed on the surface. The system obtained by impregnation presented few V4+ ions. The catalytic tests reveled that the catalytic activity and selectivity were practically the same for the systems prepared by both methods. However, the catalytic stability of the system obtained via sol-gel was superior to the system prepared by impregnation.

Diese Arbeit untersucht den Zusammenhang von elektronischer und nukleare Anregung beim Raman-Effekt mit der Methode der zeitaufgelösten harten UV-Spektroskopie. Wir verwenden kohärente stimulierte Raman-Streuung, ein Spezialfall der Standard-Raman-Streuung. Bei dieser regt ein hinreichend kurzer kohärenter Lichtimpuls Schwingungen der Kerne an, bei denen die Kerne messbar ausgelenkt werden, wohingegen die Auslenkungen bei normaler Raman-Streuung, wegen deren inkohärenten spontanen Natur, nicht messbar sind. Wir konnten Auslenkung kleiner als 10^-4 A in Echtzeit durch ihren Effekt auf das harte UV-Spektrum nachweisen. Diese Ergebnisse konnten mit Lithiumborhydrid als Probe und nicht-resonanter naher Infrarotstrahlung als Anrege-und harter UV-Strahlung als Abfrageimpuls erzielt werden. Zum Nachweis dieses Prozesses verwenden wir harte UV-Absorptionsspektroskopie an der Lithium K-Kante von Lithiumborhydrid bei 60 eV. Das Absorptionsspektrum besteht aus einem starken exzitonischen Anteil zu Beginn der Absorption und einem Plateau bei höheren Energien. Bei Anregung durch einen NIR-Impuls beobachteten wir eine oszillatorische Änderung des Absorptionsspektrums mit einer Frequenz von 10 THz, was wir der Modulation der interatomaren Abständen durch kohärente Phononen, und die damit einhergehende Modulation der chemischen Umgebung des absorbierenden Atoms, zuschreiben. Harte UV-Spektroskopie, insbesondere bei niedrigen Energien und nahe der Kante, ist hoch sensitiv auf die chemische Umgebung des jeweiligen absorbierenden Atoms. Unsere Resultate erlauben einen faszinierenden, neuen Einblick in die mikroskopische Natur des Raman-Effekts. Sie verbinden einen direkten Nachweis des antreibenden Mechanismus, der induzierten Polarisation, mit einer direkten Beobachtung des Resultats, die oszillatorische Auslenkung der Kerne. Dabei konnten mit harter UV-Spektroskopie nukleare Auslenkungen in der Größenordnung von 10-4 A mit Subpicosekundenzeitauflösung aufgelöst werden. / This thesis explores the subtle interplay between electronic and nuclear excitation in the Raman effect with time resolved XUV absorption spectroscopy. Coherent stimulated Raman scattering, the type of Raman interaction we induce, is a variant of the well known Raman scattering, where a sufficiently short pulse excites nuclear vibrations coherently, i.e. with actual displacement of the nuclei. In standard Raman scattering, due to its incoherent, spontaneous nature, there is no displacement of nuclei. We were able to observe nuclear displacements as small as 10^-4 in real time by their effect on the XUV absorption spectrum. Specifically we studied non-resonant NIR pump XUV probe absorption spectroscopy on lithium borohydride (LiBH_4). In the XUV absorption experiments in this thesis we concentrate on the Lithium K-edge absorption spectrum around 60 eV which consists of a strong excitonic peak at the onset of absorption and a plateau at higher energies. Upon excitation with a NIR pulse we observe oscillatory changes in the absorption spectrum with a frequency of 10 THz, which we identify as the effect of coherent phonon excitations of an external A_g phonon mode. The coherent oscillation changes the distance between Li^+ anions and BH_4^- cations, which modifies the electronic environment around the Li anion. XUV absorption spectroscopy, especially XANES, is highly sensitive to such changes of the chemical environment around the absorbing atom. We use two different approaches to derive the absolute displacement, which are observed in the experiment. Our results allow for a fascinating new insight into Raman scattering as they connect a direct observation of the driving mechanism, the induced polarization, with a direct observation of the outcome the oscillatory nuclear displacement. With XUV absorption spectroscopy nuclear displacements in the order of 10^-4 A were resolved with sub picosecond accuracy in the time domain.

Das Ziel dieser Arbeit ist, die elektronischen Eigenschaften von CZTS zu verstehen. Ein leistungsfahigesWerkzeug zu diesem Zweck ist die Rontgen-Nahkanten Absorptions-Spektroskopie (XANES). Die Interpretation von XANES-Spektren komplexer Materialien ist nicht trivial und erfordert daher theoretische Modellierung. Alle Rechnungen in dieser Arbeit wurden mittels der im exciting Code implementierten Linearized-Augmented-Plane- Wave-Methode, welche alle Elektronen gleichberechtigt behandelt, durchgefuhrt. Die genaue Beschreibung der Anregungen von Kernzustanden wird durch ein zweistufiges Verfahren erreicht. Zunachst wird die elektronische Struktur berechnet, indem die Kohn-Sham-Gleichungen (KS) der Dichtefunktionaltheorie (DFT) gelost werden. Die Absorptionsspektren unter Berucksichtigung der Elektron-Loch-Wechselwirkung (e-h) werden durch die Losung der Bethe-Salpeter Gleichung (BSE) der Vielteilchen-Storungstheorie (MBPT) unter Einsatz der KS-Zustonde als Ausgangspunkt beschrieben. / The aim of this work is to understand the electronic properties of CZTS. X-ray absorption near edge structure (XANES) is a powerful tool for this purpose. Interpreting XANES of complex materials is nontrivial and thus requires theoretical modeling. Here, all the calculations are performed using an all-electron full-potential augmented plane-wave method as implemented in the exciting code. The accurate description of the core level excitations is performed by a two-step procedure. First, the electronic structure is calculated by solving the Kohn-Sham (KS) equation of density functional theory (DFT). The absorption spectra including electron-hole (e-h) is described by the solution of the Bethe-Salpeter equation (BSE) of many-body perturbation theory (MBPT) using the KS states as starting point.

Cette étude vise à évaluer le rôle du silicium (Si) sur l’amélioration de la croissance et de la tolérance au cuivre (Cu) du bambou, plante utilisée en phytoremédiation. Plusieurs approches ont été choisies. Dans un premier temps, la répartition et la variabilité de Cu et Si ont été étudiées dans plusieurs espèces de bambous se développant dans un contexte pédoclimatique naturel afin d’établir des concentrations de référence pour ces éléments. Des cultures hydroponiques ont ensuite permis de caractériser de manière macroscopique la réponse des bambous à des apports de Si et Cu, et, parallèlement, d’étudier la spéciation de Cu et la localisation de Si et Cu au sein des différents organes du bambou (racines, tiges, feuilles).Les concentrations en Si et Cu présentent des différences significatives entre les principaux types de bambous, suggérant l’importance d’un caractère génotypique responsable de l’absorption de ces éléments. Face à une toxicité au cuivre, un apport de Si modifie la spéciation de Cu dans les tissus du bambou, sans toutefois améliorer significativement sa tolérance. Il apparaît que la stratégie principale du bambou pour gérer de fortes concentrations de Cu est tout d’abord une importante séquestration dans les racines, puis une complexation de Cu avec des composés soufrés organiques et inorganiques. Les résultats de cette étude permettront d’optimiser les technologies liées aux capacités épuratives des bambous face à une pollution métallique. / This study aims at assessing the role of silicon (Si) on the plant growth and alleviation of copper (Cu) toxicity in bamboos. Several approaches have been performed. Firstly, the distribution and variability of Si and Cu were investigated in several bamboo species grown under natural pedo-climatic conditions in order to obtain reference values for Cu and Si in bamboos. Secondly, hydroponic experiments were carried out to characterize the macroscopic response of bamboo plants exposed to Si and Cu and, investigated in parallel the Cu speciation and Si and Cu localisation in different part of bamboos (roots, stems, leaves).Significant differences were measured between bamboo species, suggesting that a genotypic character may be responsible for Si and Cu accumulation. Silicon supplementation modified the Cu speciation but did not induce significant improvement of Cu tolerance. The main strategy of bamboo to cope with high Cu concentrations in its tissues is initially an important sequestration in the roots apoplast, mainly in epidermis, and then a Cu complexation with organic and inorganic sulphur compounds. These results will allow the optimisation of phytoremediation processes using bamboo plants.

Não há dúvidas que a exitosa exploração do Cerrado só foi possível graças às pesquisas que desenvolveram tecnologias de correção e adubação específicas para esse ambiente. Apesar de estar consolidado como um dos principais ambientes de produção agropecuária do mundo, as pesquisas devem avançar contribuindo, cada vez mais, com aumento na eficiência do uso do fósforo (P), por ser o elemento mais limitante para produção agrícola nesse ambiente. Devido às características dos solos dessa região, parte do P aplicado é retido pelo solo em formas que as plantas não conseguem absorver, resultando na acumulação de quantidades significativas do nutriente no solo. Apesar de não ser um assunto relativamente novo e do grande número de trabalhos, o tema avaliação da disponibilidade de fósforo do solo ainda provoca dúvidas. Além dos estudos em que é avaliada a eficiência de diversos extratores como Mehlich-1 e resina de troca aniônica, outras técnicas passaram a ser utilizadas para esse fim. Estudos objetivando avaliar a distribuição (dinâmica) do fósforo nas diferentes frações do solo e as mudanças nessa distribuição em função do manejo aplicado aos cultivos e, também, do tempo de cultivo, têm sido conduzidos com crescente intensidade. Estudos também têm sido conduzidos buscando identificar as formas de acumulação de P no solo. Para isso, modernas técnicas espectroscópicas, como por exemplo, a espectroscopia baseada em luz synchrotron, têm sido utilizadas como uma poderosa ferramenta, auxiliando na identificação dos compostos presentes no solo. Face ao exposto, objetivou-se avaliar as alterações no fósforo disponível e nas frações e formas de fósforo em solo de Cerrado submetido ao manejo em semeadura direta com diferentes tempos de cultivo. Foram coletadas amostras compostas em quatro áreas que se encontravam no momento da coleta com 5, 8, 12 e 18 anos de cultivo desde a abertura das áreas, e também numa área sob vegetação nativa. O fósforo disponível foi extraído por Mehlich-1 e resina de troca aniônica. As amostras foram submetidas ao fracionamento químico de fósforo e espectroscopia de alta resolução da borda de absorção (XANES - X-ray absorption near edge structure). Observou-se que, de maneira geral, os teores de fósforo no solo foram sempre mais altos nas áreas cultivadas, principalmente na camada superficial, em comparação aos da área com vegetação nativa, o que reflete o impacto das adubações fosfatadas. A aplicação superficial do fertilizante fosfatado gerou nítidos gradientes de P no perfil do solo, principalmente para as frações lábeis e moderadamente lábeis, sendo essas frações as que sofreram maior influência do fertilizante quando comparadas às frações de menor disponibilidade. Considerando-se os mesmos extratores, os teores das frações orgânicas foram maiores em comparação às correspondentes frações inorgânicas. As formas de fósforo nos solos estudados foram predominantemente associadas ao alumínio e ao ferro, com destaque para o nutriente associado ao alumínio, sendo que, com o ferro, a associação ocorreu predominantemente por meio de fenômenos de adsorção em detrimento de fenômenos de precipitação. / There is no doubt that the successful exploitation of the Cerrado was only possible due to the research that developed specific correction and fertilization technologies to this particular environment. Due to the characteristics of soils in the region, part of applied phosphorus (P) is retained by the soil in plant unavailable forms, resulting in accumulation of significant amounts of nutrient in the soil. Despite not being a relatively new issue and the large number of research performed on this topic, the assessment of the soil P availability still raise important questions. In addition to studies in which the efficiency of various extractants have been tested, such as Mehlich-1 and anion exchange resin, other techniques are being used for this purpose. Studies for evaluating the P distribution (dynamic) in different soil fractions and the changes in this fractions due to the management applied to crops and also the time of cultivation have been conducted with increasing intensity. Studies have also been carried out in order to identify the forms of P accumulation in soils. For this purpose, modern spectroscopic techniques such as spectroscopy based on synchrotron light source, have been used as a powerful tool, assisting in the identification of P compounds presents in the soil. The aims of this study were to evaluate the changes in available, fractions and forms of P in soils of Cerrado with different times under no-till cultivation system. Composite soil samples were collected in four areas under 5, 8, 12 and 18 years of no-till cultivation since the areas were opened, and also in a area under native vegetation. The soil in the area was classified as Typic Hapludox and the areas were cultivated alternating crops of soybeans, corn and cotton. Available P was extracted by Mehlich - 1 and anion exchange resin. The samples were subjected to Hedley´s chemical fractionation of P and X- ray absorption near edge structure (XANES). It was observed that, in general, the levels of P in the soil were always higher in cultivated areas, mainly in the topsoil, when compared to the area under native vegetation, which reflects the impact of phosphate fertilization. Surface application of phosphate fertilizer produced sharp gradients of P in the soil profile, especially for both labile and moderately labile fractions, and these fractions suffered the greatest influence of fertilizer compared to fractions of lower availability. Considering the same extractants, the organic P fractions contents were higher compared to the corresponding inorganic fractions. Forms of phosphorus in soils were predominantly associated with aluminum (Al) and iron (Fe), especially P associated with Al, and with Fe the association occurred predominantly through adsorption phenomenon rather than precipitation reactions.

La synthèse de nanoparticules d’oxydes de titane par pyrolyse laser est étudiée dans ce mémoire. Cette technique de synthèse en voie gaz originale nous permet de modifier de manière souple les conditions de réaction et d’obtenir en une seule étape de synthèse des nanoparticules de taille, composition chimique et structure cristallographique contrôlées.Lors de cette étude, deux voies ont été envisagée afin de synthétiser des nanoparticules d’oxydes de titane présentant une absorption dans le domaine du visible. D’une part la synthèse de dioxyde de titane (TiO2) dopé azote et d’autre part, la synthèse d’oxydes de titane moins oxydés que le TiO2.Premièrement, la synthèse de nanoparticules de dioxyde de titane est réalisée grâce à l’utilisation du tetraisopropoxyde de titane comme précurseur. La pyrolyse laser nous permet de contrôler la phase de TiO2 obtenue, anatase ou rutile. Puis, en employant l’ammoniac comme dopant, nous avons pu synthétiser du TiO2 anatase dopé azote, présentant une absorption dans le visible.Deuxièmement, en modifiant les paramètres de synthèse, il a été possible de synthétiser des phases de Magnéli sous forme de nanoparticules, présentant également une absorption dans le visible. Il a également été possible d’obtenir à pression atmosphérique la phase TiO2-II, qui est une phase haute pression du TiO2, par oxydation d’une des phases de Magnéli. Troisièmement, en employant l’effet réducteur de l’ammoniac nous avons réussi à synthétiser des nanoparticules d’oxynitrures de titane Ti(O,N). Une étude poussée par diffraction de rayons X, spectroscopie d’absorption des rayons X, spectroscopie de photoélectrons X, spectroscopie de perte d’énergie électronique ainsi qu’une étude en température, nous ont permis de bien caractériser la structure de cette phase peu commune. De plus, les propriétés optiques se sont révélées très intéressante, puisque le matériau subit une transition métal/semi-conducteur selon son oxydation et présente une absorption très importante dans la région du visible.Enfin, les nanoparticules de TiO2 et de TiO2 dopées azote ont été employées pour l’élaboration de cellules solaire tout solide à colorant organique. Les premiers résultats montrent d’une part que la morphologie des ces nanoparticules est adaptée à leur emploi pour ce type de dispositifs, avec des rendements proche de l’état de l’art mondial. Et d’autre part, que le dopage à l’azote permet de collecter une quantité de photons plus importante grâce au domaine d’absorption de ces nanoparticules et de générer une densité de courant plus élevée. / The synthesis of titanium oxide nanoparticles by laser pyrolysis is studied in this work. This original gas phase technique is a versatile method which allows us to obtain a one-step synthesis of nanoparticles of controlled size, chemical composition and crystalline structure.In this study, two approaches have been proposed to synthesize titanium oxides nanoparticles with absorption in the visible range. In the first place, the synthesis of nitrogen doped titanium dioxide (TiO2) and second, the synthesis of less oxidized titanium oxides than TiO2.First, the synthesis of titanium dioxide nanoparticles is achieved through the use of titanium tetraisopropoxide as a precursor. The laser pyrolysis allows us to control the obtained TiO2 phase, anatase or rutile. Then, using ammonia as a dopant, we were able to synthesize nitrogen doped TiO2 anatase, with an absorption in the visible.Second, by changing the synthesis parameters, it was possible to synthesize nanoparticles of Magnéli phases, also having absorption in the visible. It was also possible to obtain under atmospheric pressure the TiO2-II phase, a high-pressure phase of TiO2 by oxidation of one of the Magnéli phases.Third, using the reducing effect of ammonia we were able to synthesize titanium oxynitrides, Ti(O,N). A detailed study by X-ray diffraction, X-ray absorption spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, electron energy loss spectroscopy and a study in temperature, allowed us to characterize the structure of this unusual phase. In addition, the optical properties were very interesting, since the material undergoes a transition metal/semiconductor depending on its oxidation and has a very high absorption in the visible region.Finally, the TiO2 nanoparticles and nitrogen doped TiO2 were used for the development of solid state, dye-sensitized solar cells. Initial results show that the morphology of these nanoparticles is suitable for their use for such devices, with yields close to the world state of the art. Secondly, it shows that the nitrogen doping allows to collect a larger amount of photons, through the area of absorption of these nanoparticles and to generate a higher current density.