Dissertations / Theses on the topic 'Oxygen conductor'

Les conducteurs d'ions oxygène fonctionnant à des températures inférieures à 300 ° C sont des matériaux d'intérêt majeur pour une série d’applications technologiques telles que les piles à combustible solide, les batteries, les électrodes, les capteurs, des catalyseurs, etc. Cependant à l’heure actuelle, les conducteurs d'ions d'oxygène solides fonctionnent raisonnablement seulement à haute température, supérieure à 800°C, ce qui limite leur application. Dans la recherche de l'amélioration des conducteurs d'ions d'oxygène, la structure Brownmillérite (ABO2.5 éq. A2B2O5) a toujours joué un rôle important, en particulier dans le régime à basse température où la dynamique de la chaîne tétraédrique induit la mobilité de l'oxygène. Dans ce contexte, nous avons synthétisé une nouvelle phase Sr2-xBaxScGaO5 (avec x=0 SSGO et x= 0.1 SBSGO), contenant des ions 3d0 diamagnétiques et susceptible d’être un conducteur ionique pur. En fonction de la voie de synthèse, le composé présente deux polymorphes, orthorhombiques et cubiques, qui sont tous deux importants pour la conductivité de l'oxygène. La réaction à l’état solide conduit à une structure de type Brownmillerite orthorhombique tandis que la synthèse de fusion de zone (FTZ) donne une structure Pérovskite déficitaire en oxygène .Par diffraction neutronique sur poudre (D2B @ ILL) nous avons analysé la structure des deux polymorphes, en fonction de la température. Une analyse détaillée du type SSGO Brownmillerite montre que le Sc occupe les sites octaédriques, tandis que Ga occupe exclusivement les tétraèdres autres. Cet ordre de cations est assez inhabituel pour les structures de type Brownmillerite. La deuxième particularité est que Sr2-xBaxScGaO5 subit une transition de phase à partir d'une configuration ordonnée des chaines (GaO4), caractéristiques du groupe d’espace I2mb à température ambiante, vers une configuration désordonnée des chaînes dans le groupe d’espace Imma (à 500°C). Ce résultat important confirme notre hypothèse que le désordre est dynamique et il est la clé pour avoir un conducteur d'ions d'oxygène à températures modérées. La synthèse à des températures élevées (jusqu'à fusion), donne une structure cubique Pm ̅m, stable jusqu'à 1000 ° C. La structure est de type Pérovskite fortement déficitaire en oxygène. La mobilité de l’oxygène de ces nouveaux composés a été ensuite étudiée par la thermogravimétrie (TGA) couplée avec spectroscopie de masse (MS) après échange isotopique 18O-16O, par spectroscopie RAMAN et RMN couplée avec les calculs théoriques ab-initio (WIEN2k), par diffusion inélastique des neutrons (IN6@ILL) couplée avec des calculs de dynamiques moléculaire ab-initio (VASP). Les résultats obtenus via les études structurales et de dynamique de réseau montrent que l’activation de la mobilité ionique est liée à la transition vers la structure désordonnée Imma, qui implique une dynamique importante des chaines GaO4 et une diffusion unidimensionnel le long des canaux lacunaires. Ces résultats ont pu être reproduits par calculs de dynamique moléculaire, dans lesquels la diffusion ne concerne que les oxygènes des plans tétraédriques, et s’expliquent par des paramètres de maille a et c qui sont significativement augmentés par rapport à (Ca/Sr)FeO2.5
Oxygen ion conductors operating at low temperature, below 300 ° C, are materials of major interest for several applications in the area of solid state ionicsas solid fuel cells, batteries, electrodes, sensors, catalysts, etc. However till now, the solid oxygen ion conductor works reasonably only at high temperatures above 800 ° C, which limits their application. In the search for improved oxygen ion conductors Brownmillerite structures ( ABO2.5 eq. A2B2O5 ) has always played an important role, especially in the low temperature regime where the dynamics of the tetrahedral chain induced mobility of oxygen. In this context, we have synthesized a new phase Sr1-xBaxScGaO5 with x = 0 (SSGO) and x = 0.1 (SBSGO) containing diamagnetic 3d0 ions to have a pure ion conductor. Depending on the synthesis route, the compound has two polymorphs, orthorhombic and cubic, which are both important for the oxygen conductivity. The reaction in the solid state leads to an orthorhombic Brownmillerite-type structure, while tmeling synthesis (using the Travelling Floating Zone method FTZ ) gives an oxygen-deficient Perovskite structure. The structures of both polymorphs were analyzed using the neutron powder diffraction as function of the temperature (D2B@ILL). A detailed analysis of SSGO Brownmillerite type shows that the Sc occupies octahedral sites, while the Ga occupies exclusively the tetrahedral ones. This cation ordering is unusual for the Brownmillerite structures. Moreover Sr2-xBaxScGaO5 undergoes a phase transition from an ordered configuration of the tetrahedral chains (GaO4) characteristic of I2mb space-group at room temperature, toward a disordered one characteristic of Imma space group (500 ° C). This important result confirms that the disorder of the tetrahedral chains is dynamic and it is the key to have oxygen ion conductor at moderate temperatures. Synthesis at elevated temperatures (up to melting point) gives a cubic structure Pm ̅m, stable up to 1000 ° C. The Perovskite -type structure is highly oxygen deficient. The mobility of the oxygen of these new compounds was studied by thermogravimetry analysis (TGA) coupled with mass spectrometry (MS) after the isotope exchange 18O-16O, by Raman and NMR spectroscopy coupled with theoretical ab-initio calculations (WIEN2k), by inelastic neutron scattering (IN6@ILL) coupled with calculations of ab-initio molecular dynamics (VASP ) . The results obtained from the structural and the lattice dynamics studies show that activation of the ion mobility is related to the transition to a disordered structure Imma, which implies an important dynamics of the chains GaO4 and the diffusion along the one-dimensional vacancy channel. These results have been reproduced by molecular dynamics calculations, in which the diffusion pathway is due only to the oxygen in the tetrahedral planes

La technologie des membranes céramiques pour la production d’oxygène pur connaît un intérêt croissant pour remplacer le procédé de distillation cryogénique, très coûteux sur le plan énergétique. Cependant, à l’heure actuelle, les flux d’oxygène produits par la technologie membranaire ne sont pas suffisamment élevés pour être économiquement viable à l’échelle industrielle. Il est donc nécessaire d’améliorer les performances des membranes. Les résultats obtenus à travers ce travail de thèse, à l’aide d’un dispositif original, nous ont permis de mieux cerner les paramètres architecturaux permettant l’amélioration du flux de semi-perméation à l’oxygène en fonction des mécanismes limitant le transport de l’oxygène à travers la membrane. De ce fait, il est possible d’orienter les recherches vers des architectures plus complexes répondant au moins partiellement aux objectifs industriels
The technology of ceramic membranes for oxygen separation knows a great interest due to high energetic efficiency in comparison with the cryogenic distillation process. However, for now, the oxygen fluxes produced by the membrane technology are not high enough for industrial applications. It is therefore necessary to improve the performances of the membranes. The results obtained in this work, using an original device, allowed us to a better understanding of the influence of architectural parameters on the oxygen flux and on the mechanisms limiting the transport of oxygen through the membrane. As a result, it is possible to investigate new architectures of membrane of which the oxygen flux could be close to industrial targets

L'objectif de ce travail est l'étude des interactions entre des nanoparticules de platine et la zircone yttriée (YSZ pour Yttria-Stabilized Zirconia), oxyde conducteur ionique. Il s'agissait de transposer les effets de promotion électrochimique de la catalyse mis en évidence sur des films polarisés de platine de faible dispersion déposés sur des membranes denses de YSZ à des systèmes catalytiques conventionnels à base de nanoparticules métalliques dispersées sur des poudres de YSZ. La migration des ions oxydes promoteurs n'est plus contrôlée par une polarisation électrique mais induite thermiquement. Ces travaux ont permis de mettre au point une méthode de mesure de la dispersion du Pt déposé sur la zircone yttriée. Les interactions Pt/YSZ et notamment celles entre les lacunes d'oxygène de YSZ et les nanoparticules de Pt ont été étudiées par réduction en température programmée et spectroscopie infrarouge. L'importance des lacunes d'oxygène du support YSZ sur les propriétés de chimisorption du Pt et sur son activité catalytique pour l'oxydation du propane a été clairement montrée. La migration thermique des ions oxydes a été étudiée par échange isotopique 18O/16O. Un mécanisme de la réaction de combustion du propane a été proposé incluant le rôle prépondérant des oxydes de réseau de YSZ contrairement aux supports conventionnels en silice et en zircone non substituée. Finalement, les paramètres pouvant influencer les interactions Pt/YSZ comme la surface spécifique de YSZ, le taux d'oxyde d'yttrium, la méthode de préparation de YSZ ainsi que la teneur et la taille des nanoparticules de Pt ont été évalués. Les résultats ont mis en évidence la migration thermique des ions oxydes du support vers le Pt dès 100 °C. D'autre part, l'échange entre les oxygènes du réseau et ceux de la phase gaz est extrêmement rapide dès 100°C. L'activité catalytique du Pt semble promue par la mobilité des oxygènes du support
The aim of this work is to investigate the interactions between Pt nanoparticles and Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ), an ionically conducting support. The idea was to overcome the effects of electrochemical promotion of catalysis (EPOC) observed on Pt/YSZ electrochemical catalysts which present low metal dispersion to conventional catalytic systems based on metallic nanoparticles finely dispersed on YSZ powered support. In that configuration, the migration of the oxygen ions from YSZ toward the Pt surface is not electrically controlled but thermally induced without any polarisation. First, we have established a new procedure to measure the Pt dispersion over YSZ. The metal support interactions between Pt and YSZ were characterized by Temperature Programmed Reduction and Infrared Spectroscopy. The importance of the YSZ oxygen vacancies on the chemisorptive behaviours of Pt as well as its catalytic for the propane oxidation was clearly demonstrated. The thermal migration of oxygen ions was validated by using the Isotopic Exchange procedure 18O/16O. The impact of these vacancies was evaluated and a mechanism of the propane deep oxidation on Pt/YSZ was proposed including the important role of bulk YSZ oxygen species in opposition with conventional supports such as silica and non-substituted zirconia. Finally, the key parameters that can influence the Pt/YSZ interactions such as the YSZ specific surface area, the yttria content, the YSZ preparation route as well as the loading and size of Pt nanoparticles were investigated. Our results point out that the thermal migration of oxygen ions from YSZ toward Pt surface occurs from 100 °C. In addition, the exchange between oxygen species from YSZ bulk and those from the gas phase is extremely fast starting from 100 °C. The Pt catalytic activity for the propane deep oxidation seems to be promoted by the mobility of the bulk YSZ oxygen species

In this thesis, the focus is on studying BaZrO3-BaCeO3 based proton conductors due to that they represent very promising proton conductors to be used for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells (ITSOFCs). Here, dense BaZr0.5Ce0.3Y0.2O3-δ (BZCY532) ceramics were selected as the major studied materials. These ceramics were prepared by different sintering methods and doping strategies. Based on achieved results, the thesis work can simply be divided into the following parts: 1) An improved synthesis method, which included a water-based milling procedure followed by a freeze-drying post-processing, was presented. A lowered calcination and sintering temperature for a Hf0.7Y0.3O2-δ (YSH) compound was achieved. The value of the relative density in this work was higher than previously reported data. It is also concluded that this improved method can be used for mass-production of ceramics. 2) As the solid-state reactive sintering (SSRS) represent a cost-effective sintering method, the sintering behaviors of proton conductors BaZrxCe0.8-xLn0.2O3-δ (x = 0.8, 0.5, 0.1; Ln = Y, Sm, Gd, Dy) during the SSRS process were investigated. According to the obtained results, it was found that the sintering temperature will decrease, when the Ce content increases from 0 (BZCLn802) to 0.3 (BZCLn532) and 0.7 (BZCLn172). Moreover, the radii of the dopant ions similar to the radii of Zr4+ or Ce4+ ions show a better sinterability. This means that it is possible to obtain dense ceramics at a lower temperature. Moreover, the conductivities of dense BZCLn532 ceramics were determined. The conductivity data indicate that dense BZCY532 ceramics are good candidates as either oxygen ion conductors or proton conductors used for ITSOFCs. 3) The effect of NiO on the sintering behaviors, morphologies and conductivities of BZCY532 based electrolytes were systematically investigated. According to the achieved results, it can be concluded that the dense BZCY532B ceramics (NiO was added during ball-milling before a powder mixture calcination) show an enhanced oxygen and proton conductivity. Also, that BZCY532A (NiO was added after a powder mixture calcination) and BZCY532N (No NiO was added in the whole preparation procedures) showed lower values. In addition, dense BZCY532B and BZCY532N ceramics showed only small electronic conductivities, when the testing temperature was lower than 800 ℃. However, the BZCY532A ceramics revealed an obvious electronic conduction, when they were tested in the range of 600 ℃ to 800 ℃. Therefore, it is preferable to add the NiO powder during the BZCY532 powder preparation, which can lower the sintering temperature and also increase the conductivity. 4) Dense BZCY532 ceramics were successfully prepared by using the Spark Plasma Sintering (SPS) method at a temperature of 1350 ℃ with a holding time of 5 min. It was found that a lower sintering temperature (< 1400 ℃) and a very fast cooling rate (> 200 ℃/min) are two key parameters to prepare dense BZCY532 ceramics. These results confirm that the SPS technique represents a feasible and cost-effective sintering method to prepare dense Ce-containing BaZrO3-BaCeO3 based proton conductors. 5) Finally, a preliminary study for preparation of Ce0.8Sm0.2O2-δ (SDC) and BZCY532 basedcomposite electrolytes was carried out. The novel SDC-BZCY532 based composite electrolytes were prepared by using the powder mixing and co-sintering method. The sintering behaviors, morphologies and ionic conductivities of the composite electrolytes were investigated. The obtained results show that the composite electrolyte with a composition of 60SDC-40BZCY532 has the highest conductivity. In contrast, the composite electrolyte with a composition of 40SDC-60BZCY532 shows the lowest conductivity. In summary, the results show that BaZrO3-BaCeO3 based proton-conducting ceramic materials represent very promising materials for future ITSOFCs electrolyte applications.

QC 20150423

We discuss oxygen and cation diffusion processes in oxygen ion conductors. While the high oxygen diffusivity determines the proper oxygen ion conductivity, slow cation diffusion processes are important for sintering and degradation processes. In the first part of the paper we discuss an analytical model for the ionic conductivity of a strongly acceptor doped, fluorite-type oxygen ion conductor, i.e. a concentrated solution of AO2 and BB2O3. The model can be applied, e.g., to yttria doped zirconia (YSZ) and gives a qualitative explanation of the observed maximum of the conductivity as a function of the dopant fraction. The model considers nearest neighbor interactions between oxygen vacancies and dopant cations, which may be negligible, attractive or repulsive, and jump barriers that depend on the nature of the cation-cation edge that has to be crossed during a jump between adjacent oxygen sites. In the second part we discuss cation diffusion processes in doped lanthanum gallates (LSGM). The experimental results of nearly identical cation diffusion coefficients in the A- and B-sublattices of the perovskite LSGM can be explained by a bound defect cluster mechanism containing cation vacancies of both the Aand the B- sublattice and anion vacancies.

We discuss oxygen and cation diffusion processes in oxygen ion conductors. While the high oxygen diffusivity determines the proper oxygen ion conductivity, slow cation diffusion processes are important for sintering and degradation processes. In the first part of the paper we discuss an analytical model for the ionic conductivity of a strongly acceptor doped, fluorite-type oxygen ion conductor, i.e. a concentrated solution of AO2 and BB2O3. The model can be applied, e.g., to yttria doped zirconia (YSZ) and gives a qualitative explanation of the observed maximum of the conductivity as a function of the dopant fraction. The model considers nearest neighbor interactions between oxygen vacancies and dopant cations, which may be negligible, attractive or repulsive, and jump barriers that depend on the nature of the cation-cation edge that has to be crossed during a jump between adjacent oxygen sites. In the second part we discuss cation diffusion processes in doped lanthanum gallates (LSGM). The experimental results of nearly identical cation diffusion coefficients in the A- and B-sublattices of the perovskite LSGM can be explained by a bound defect cluster mechanism containing cation vacancies of both the Aand the B- sublattice and anion vacancies.

Non-stoichiometric strontium iron oxide is described by an abbreviated formula SrFeOx (2.5 ≤ x ≤ 3.0) exhibits a variety of interesting physical and chemical properties over a broad range of temperatures and in different gaseous environments. The oxide contains a mixture of iron in the trivalent and the rare tetravalent state. The material at elevated temperature is a mixed oxygen conductor and it, or its derivatives,can have practical applications in oxygen conducting devices such as pressure driven oxygen generators, partial oxidation reactors in electrodes for solid oxide fuel cells (SOFC). ¶ This thesis examines the behaviour of the material at ambient and elevated temperatures using a broad spectrum of solid state experimental techniques such as: x-ray and neutron powder diffraction,thermogravimetric and calorimetric methods,scanning electron microscopy and Mossbauer spectroscopy. Changes in the oxide were induced using conventional thermal treatment in various atmospheres as well as mechanical energy (ball milling). The first experimental chapter examines the formation of the ferrite from a mixture of reactants.It describes the chemical reactions and phase transitions that lead to the formation of the oxide. Ball milling of the reactants prior to annealing was found to eliminate transient phases from the reaction route and to increase the kinetics of the reaction at lower temperatures. Examination of the thermodynamics of iron oxide (hematite) used for the reactions led to a new route of synthesis of the ferrite frommagnetite and strontium carbonate.This chapter also explores the possibility of synthesis of the material at room temperature using ball milling. ¶ The ferrite strongly interacts with the gas phase so its behaviour was studied under different pressures of oxygen and in carbon dioxide.The changes in ferrite composition have an equilibrium character and depend on temperature and oxygen concentration in the atmosphere. Variations of the oxygen content x were described as a function of temperature and oxygen partial pressure, the results were used to plot an equilibrium composition diagram. The heat of oxidation was also measured as a function of temperature and oxygen partial pressure. ¶ Interaction of the ferrite with carbon dioxide below a critical temperature causes decomposition of the material to strontium carbonate and SrFe12O19 . The critical temperature depends on the partial pressure of CO2 and above the critical temperature the carbonate and SrFe12O19 are converted back into the ferrite.The resulting SrFe12O19 is very resistant towards carbonation and the thermal carbonation reaction does not lead to a complete decomposition of SrFeOx to hematite and strontium carbonate. ¶ The thermally induced oxidation and carbonation reactions cease at room temperature due to sluggish kinetics however,they can be carried out at ambient temperature using ball milling.The reaction routes for these processes are different from the thermal routes.The mechanical oxidation induces two or more concurrent reactions which lead to samples containing two or more phases. The mechanical carbonation on the other hand produces an unknown metastable iron carbonate and leads a complete decomposition of the ferrite to strontiumcarbonate and hematite. ¶ Thermally and mechanically oxidized samples were studied using Mossbauer spectroscopy. The author proposes a new interpretation of the Sr4Fe4O11 (x=2.75) and Sr8Fe8O23 (x=2.875)spectra.The interpretation is based on the chemistry of the compounds and provides a simpler explanation of the observed absorption lines.The Mossbauer results froma range of compositions revealed the roomtemperature phase behaviour of the ferrite also examined using x-ray diffraction. ¶ The high-temperature crystal structure of the ferrite was examined using neutron powder diffraction.The measurements were done at temperatures up to 1273K in argon and air atmospheres.The former atmosphere protects Sr2Fe2O5 (x=2.5) against oxidation and the measurements in air allowed variation of the composition of the oxide in the range 2.56 ≤ x ≤ 2.81. Sr2Fe2O5 is an antiferromagnet and undergoes phase transitions to the paramagnetic state at 692K and from the orthorhombic to the cubic structure around 1140K.The oxidized formof the ferrite also undergoes a transition to the high-temperature cubic form.The author proposes a new structural model for the cubic phase based on a unit cell with the Fm3c symmetry. The new model allows a description of the high-temperature cubic form of the ferrite as a solid solution of the composition end members.The results were used to draw a phase diagramfor the SrFeOx system. ¶ The last chapter summarizes the findings and suggests directions for further research.

Ce travail porte sur l'élaboration et la caractérisation de plusieurs séries de systèmes hybrides du tetrathiafulvalène (HTTFS). Ces systèmes sont construits par le greffage de deux motifs 1,3-dithiole-2-ylidene aux deux extrémités d'un espaceur conjugué. Apres une première étape consacrée à l'analyse des différentes possibilités d'insertion d'espaceurs benzéniques, plusieurs séries de HTTFS dérivées d'hétérocycles aromatiques, thiophène, furanne et n-méthyl pyrrole, ont été synthétisées, l'analyse des propriétés électrochimiques de ces derniers montre qu'ils conduisent à un abaissement du potentiel d'oxydation avec une réduction des repulsions coulombiennes au stade dicationique. Sur la base des résultats obtenus, nous avons cherché à accroitre l'extension spatiale de ces systèmes en utilisant un oligomère conjugué. Ainsi, l'oxydation chimique et électrochimique des 2-(1,4-dithiafulven-6-yl)thiophène a permis d'accéder facilement à des analogues étendus du tetrathiafulvalène (ETTFS) symétriques. Cependant, l'augmentation du nombre d'hétérocycles s'est révélée limitée, ces résultats nous ont amenés à la synthèse de nouveaux espaceurs: dithiényl- et difurylpolyènes dont les propriétés optiques et électrochimiques révèlent que l'augmentation du nombre de doubles liaisons diminue les valeurs des potentiels d'oxydation et conduit à un déplacement bathochrome du maximum d'absorption, avec une diminution importante du gap homo-lumo. Enfin, les enseignements tirés de cette dernière phase de ce travail ont permis de définir des précurseurs dont l'électropolymérisation a conduit à de nouveaux polymères conjugues dérivés du furanne qui sont les plus conducteurs connus jusqu'à présent.

Les conducteurs mixtes ioniques et électroniques sont utilisés dans de nombreux domaines d’applications, et notamment comme matériau d’électrodes pour les piles à combustible de type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ou comme matériaux membranaires pour la séparation et la production d’oxygène. Cependant, les flux de semi-perméabilité à l’oxygène obtenus par la technologie membranaire ne sont pas suffisamment importants actuellement pour répondre aux besoins industriels. L’enjeu de ces travaux de thèse a donc été de mieux comprendre la nature des mécanismes de transport de l’oxygène à travers les membranes céramiques afin d’améliorer leurs flux de semi-perméabilité à l’oxygène. Les propriétés de transport de l’oxygène de matériaux pérovkites à base de lanthane ou de baryum ont ainsi été caractérisées à partir d’un appareil original mis au point au laboratoire. Dans un deuxième temps, de nouvelles architectures de membranes ont été élaborées et caractérisées en termes de semi-perméabilité à l’oxygène
Mixed ionic and electronic conductors (MIEC) are used in numerous areas, such as cathode materials for the solid oxide fuel cells (SOFC) or as membrane materials for the oxygen gas separation. However, currently, oxygen semi-permeation fluxes produced by ceramic membranes are too low for potential industrial applications. Our study focuses on the better understanding of the oxygen transport mechanisms through the ceramic membranes in order to improve the oxygen semi-permeation fluxes through the membrane. The oxygen transport properties of lanthanum-based or barium-based perovskite materials are characterized and studied by a new and original setup. Then, new architectures of membranes are developed and their electrochemical performances are characterized

Dense ceramic membranes with mixed ionic and electronic conductivity can separate 100 % pure oxygen from air at elevated temperature. They constitute a much cheaper and more environmentally friendly alternative to cryogenic distillation. Today the challenge with dense ceramic membranes is the long term stability. The high operating temperatures (>800°C) of the membranes lead to chemical degradation and mechanical failure. Hexagonal manganites has the ability to reduce the problems associated with high temperatures. Compared to perovskites, which conduct through formation of oxygen vacancies, hexagonal manganites have the ability to form interstitial oxygen due to a less closed packed structure. In this thesis, it is reported on how the structure and oxygen storage ability changes with varying yttrium deficiency in hexagonal YMnO3. It is important to investigate the possibility of cation vacancies in the structure, as little is known about the defect chemistry of these materials. Yttrium deficient samples of YMnO3 made by solid state synthesis was fired in air, and annealed in varying atmospheres. Hexagonal YMnO3 has the ability to lose 15-20 % yttrium without any notable changes in the structure and composition of yttrium deficient YMnO3. Above this limit, reflections from Mn3O4 hausmannite appears in x-ray diffractograms. With a higher degree of yttrium deficiency in the hexagonal structure prepared in air, a slight contraction of the unit cell along both a and c direction is found. After annealing in O2 atmosphere, the structure expands along the a axis and contracts along the c-axis. The opposite behavior is seen in inert (N2) atmosphere, where the structure expands in c direction and contract along the a axis with increased yttrium deficiency in YMnO3. Above 600 &#730;C, during heating of YMnO3 and Y0.80MnO3, oxygen goes out of the materials in both N2 and O2 atmospheres. Upon cooling in O2 atmosphere, a reversible oxygen uptake is seen around 400 &#730;C for both YMnO3 and yttrium deficient YMnO3. For stoichiometric YMnO3 the reversible oxygen adsorption is suggested to be attributed to interstitial oxygen, while for stoichiometric yttrium deficient YMnO3 it is believed to be filling of oxygen vacancies. The reversible oxygen uptake of YMnO3 was calculated to be &#948;= 0.034. Moreover, in this thesis it is also reported on the synthesis of an asymmetric membrane consisting of 15 % titanium substituted YMnO3. The asymmetric membrane did not yield a dense functional layer of nanocrystalline YMn0.85Ti0.15O3 on top of the porous support after sintering.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude des nickelates La2-xPrxNiO4+δ, comme nouveaux matériauxde cathodes pour piles à combustible haute température, SOFC, et en particulier à la caractérisationde leur stabilité chimique et leur comportement en fonctionnement. En effet, du fait de leurpropriété de conduction mixte ionique et électronique, MIEC, les nickelates de structure typeK2NiF4, Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr, Nd), correspondant au terme n = 1 de la série de Ruddlesden-Popper (An+1MnO(3n+1)), sont des matériaux prometteurs pour des fonctionnements à températureintermédiaire, IT-SOFC (T < 800 °C). Compromis entre la stabilité chimique de La2NiO4+δ et lestrès bonnes performances électrochimiques de Pr2NiO4+δ, les phases La2-xPrxNiO4+δ, ont étésynthétisées et leurs propriétés physico-chimiques, de transport et électrochimiques ont étédéterminées. L’étude approfondie des caractéristiques des électrodes par spectroscopied’impédance en cellules symétriques a été réalisée à courant nul et sous polarisation anodique etcathodique sur des périodes d’un mois. De façon surprenante, même après la dissociation complètede Pr2NiO4+δ en PrNiO3-δ, Pr4Ni3O10+δ et Pr6O11, la résistance de polarisation ne montre pas dechangement significatif. L’étude de PrNiO3-δ et Pr4Ni3O10+δ, comme matériau de cathode pour pilesà combustible, démontre l’excellent comportement de la phase Pr4Ni3O10+δ et ceci en cellulesymétrique (Rp (Pr4Ni3O10+δ) = Rp (Pr2NiO4+δ) = 0.15 Ω.cm² à 600 ° C) et cellule complète (1.6W.cm-2 at 800 °C)
This PhD work is dedicated to stability and ageing studies of Praseodymium based nickelates ascathodes for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). With this respect Ln2NiO4+δ (Ln=La, Pr or Nd)compounds with the K2NiF4 type structure act as alternative cathode materials for IT-SOFC due totheir mixed ionic and electronic conductivity (i.e. MIEC properties). Pr2NiO4+δ shows excellentelectrochemical properties at intermediate temperature (i.e. low polarization resistance Rp value, Rp= 0.03 Ω.cm² at 700 °C), while La2NiO4+δ exhibits higher chemical stability. So, the properties ofLa2-xPrxNiO4+δ nickelates were investigated with the aim to find best compromise between chemicalstability and electrochemical performances. After synthesis, the physical and chemical properties aswell as their transport and electrochemical properties have been determined. Measurements of thepolarization resistance of symmetrical half-cells have been carried out by impedance spectroscopy.Then, the chemical stability and the electrochemical performance of the materials have been studiedfor duration up to one month. As an interesting point, even after complete dissociation of Pr2NiO4+δinto PrNiO3-δ,Pr4Ni3O10+δ and Pr6O11, the polarization resistance does not show significant change.So finally, two new materials PrNiO3-δ and Pr4Ni3O10+δ were investigated as SOFCs cathodeshowing very promising results for Pr4Ni3O10+δ in symmetrical cell (Rp (Pr4Ni3O10+δ) = Rp(Pr2NiO4+δ) = 0.15 Ω.cm² à 600 ° C) and complete cell (1.6 W.cm-2 at 800 °C)

Les transistors organiques sont la base de nombreuses applications de l'électronique organique mais leur rendement électrique ainsi que leur stabilité dans le temps sont encore des verrous technologiques devant être levés. De plus, le phénomène de transport de charges dans ces dispositifs reste une notion encore à l'étude même si différents modèles sont utilisés afin d'expliquer l'effet de champ des transistors organiques. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette étude portant sur la caractérisation par spectroscopie d'admittance de jonctions Métal/oxyde/semi conducteur organique/métal. Elle a pour but d'analyser le comportement électrostatique du semi conducteur organique. Les mesures de spectroscopie d'admittance ont été réalisées sur une large bande de fréquence (0.1Hz à 1Mhz) dans laquelle les pertes diélectriques mesurées peuvent être associées à des phénomènes d'orientation (oscillation) de dipôles présents dans la structure. Les réponses en fréquences montrent trois types de comportements dynamiques. A basses fréquences, nous avons observé une diffusion ionique, liée au déplacement d'ions H+ à travers la structure. A hautes fréquences, la réponse est due aux imperfections de l'oxyde. Enfin, aux fréquences intermédiaires, la réponse du semi-conducteur organique est identifiée et attribuée à des dipôles permanents. A partir de ces différentes réponses, un modèle analytique est établi et permet de décrire l'ensemble des réponses dynamiques. Le comportement du semi-conducteur est décrit par la somme d'une fonction de type Debye et de type Cole-Cole. L'analyse des paramètres de ce modèle a permis de mettre en évidence l'influence des dipôles permanents sur la permittivité du film de semi-conducteur organique. Enfin, ce modèle a été validé sur différents échantillons à base de pentacène et a été ensuite appliqué au Poly-3-hexylthiophène
Organic transistors are vital in many applications of organic electronics but the electrical performance and time stability are technological limitation in order to make this technology reliable. Moreover, in these devices, the charge transport phenomenon has not to be clearly understood even if different models are commonly used to explain the field effect in organic transistors. In this context, this thesis talks about the admittance spectroscopy characterization of metal / oxide / organic semiconductor / metal junctions and analysis the organic semiconductor electrostatic behavior.The admittance spectroscopy measurements were performed on a wide frequency range (0.1Hz to 1MHz) in which the measured dielectric loss may be associated with the orientation phenomenon (as oscillation) of dipoles present in the structure.The frequency responses show three dynamic behaviors. At low frequencies (<10Hz), we observed an ionic diffusion, which is related to the ions movement of H+ through the structure. At high frequencies, (>10kHz) the response is due to defects into the oxide. Finally, at intermediate frequencies, the organic semiconductor response is identified and assigned to the permanent dipoles into the bulk. From these responses, an analytical model is developed and used to describe the dynamic responses. The semi-conductor behavior is described by the sum of a Debye and Cole-Cole function type. The analysis of the model parameters has highlighted the influence of permanent dipoles on the organic semiconductor permittivity. Finally, this model has been agreed on different samples based on pentacene and was applied to the Poly-3-hexylthiophene

Cation doped zirconium oxynitrides (for example zirconium oxide doped with yttrium oxide and nitrogen, \'YZrON\'), having a fluorite-based structure, are suggested to have fairly high nitrogen diffusivity, besides their high oxygen mobility. In the present work, the tracer-diffusion of nitrogen and oxygen was measured in single crystalline \'YZrON\'. Results are compared to the migration pathways and migration enthalpies of nitrogen and oxygen ions as determined by elastic neutron diffraction studies. Excellent agreement of the measured activation enthalpies of nitrogen diffusion (about 2 eV) and oxygen diffusion (about 1 eV) determined by the two methods is found.

Cation doped zirconium oxynitrides (for example zirconium oxide doped with yttrium oxide and nitrogen, \''YZrON\''), having a fluorite-based structure, are suggested to have fairly high nitrogen diffusivity, besides their high oxygen mobility. In the present work, the tracer-diffusion of nitrogen and oxygen was measured in single crystalline \''YZrON\''. Results are compared to the migration pathways and migration enthalpies of nitrogen and oxygen ions as determined by elastic neutron diffraction studies. Excellent agreement of the measured activation enthalpies of nitrogen diffusion (about 2 eV) and oxygen diffusion (about 1 eV) determined by the two methods is found.

L'électronique transparente est actuellement limitée par la difficulté de construire une jonction p-n transparente, en raison du manque d'oxyde transparent conducteur (TCO) de type p réellement performant. L'oxyde cuivreux Cu2O est un TCO de type p prometteur, mais sa bande interdite relativement étroite pour un TCO (2,1 eV), limite sa transmittance dans le domaine visible. Dans le cadre de cette thèse, nous cherchons à augmenter cette valeur. Pour cela, nous explorons la méthode MOCVD comme technique de dépôt pour le dopage au strontium et au calcium de l’oxyde cuivreux. Ce dopage est supposé élargir la bande interdite du Cu2O d'après des calculs ab initio effectués à l'institut Tyndall, à Cork. Dans le chapitre I, nous présentons le contexte de cette thèse. Après avoir expliqué les conditions que doit remplir un matériau pour être un TCO de type p, nous présentons l'état de l'art concernant le Cu2O. Dans le chapitre II, nous présentons l'ensemble des techniques utilisées dans le cadre de cette thèse, de l'élaboration (MOCVD, recuits thermiques) à la caractérisation (MEB, MET, AFM, DRX, spectroscopie FTIR, spectroscopie Raman, XPS, spectroscopie UV-vis-NIR, mesures 4 pointes et mesures d'effet Hall). Au cours du chapitre III, l'influence des paramètres de la MOCVD sur la composition et la morphologie a été analysée pour l’élaboration de couches de Cu2O pures, non dopées en vue d'établir les conditions optimales de dépôt. Nous obtenons des couches continues sur substrat de Si/SiO2, alors qu'elles sont systématiquement hétérogènes avec des zones sans dépôt sur silicium. En outre, nous mettons en évidence le risque d'obtenir la phase cuivre métallique lorsque la concentration de précurseur est élevée, la pression partielle d'oxygène faible et/ou la température élevée. Partant de ces conditions optimales, nous étudions dans le chapitre IV l'influence du dopage au strontium sur les propriétés fonctionnelles des couches (résistivité, largeur de bande interdite et transmittance dans le visible). Une chute de la résistivité a été observée lors du dopage au strontium. Les couches non dopées ont des résistivités de l'ordre de 103 Ω.cm ou plus, contre 10 Ω.cm pour les couches contenant entre 6 et 15% de strontium. La conductivité est bien de type p avec une mobilité de l’ordre de 10 cm2.V-1.s-1 et une densité de porteur de quelques 1016 cm-3. L’écart très grand entre cette densité de porteur et la teneur globale en Sr est lié à la présence d’une contamination des couches par du carbonate et du fluorure de strontium mis en évidence par FTIR et XPS. L’influence réelle de ces impuretés n’a pu être déterminée. Enfin il n'a pas été constaté de variation significative des propriétés optiques, la bande interdite restant large d'environ 2,4 eV et la transmittance moyenne entre 500 et 1000 nm de l'ordre de 55%. Des tendances similaires sont observées dans le chapitre V qui aborde le dopage au calcium, avec comme particularité le fait pour un fort taux de dopage et sous assistance UV, d'aboutir à la présence d'espaces vides localisés à l'interface substrat/Cu2O qui pourrait être lié à la décomposition du carbonate de calcium. Finalement, nous procédons à des recuits thermiques des couches, dopées ou non, dans le chapitre VI. Pour les couches non dopées, cela permet de diminuer la résistivité jusqu’à des valeurs de 10-100 Ω.cm. Pour les couches dopées, cela permet aux couches ayant une résistivité initiale de 10 Ω.cm de descendre jusqu'à 1 Ω.cm. Au cours de cette thèse, nous avons établi les effets du dopage au Sr ou Ca qui conduisent à une forte chute de résistivité sans impact sur les propriétés optiques à la différence des résultats prévus par les calculs ab initio. Nous sommes ainsi parvenus à améliorer les propriétés des couches Cu2O transparentes de type p
Transparent electronic is currently limited by the lack of a really performant p-type transparent conducting oxide (TCO), which makes the elaboration of a transparent p-n junction challenging. Cuprous oxide Cu2O is a promising p-type TCO, but its optical transmittance in the visible spectrum is limited by its relatively low band gap (2.1 eV). In this thesis, we aim at increasing this value. To achieve that, we explore MOCVD as the growth method for strontium and calcium doping of cuprous oxide. According to ab-initio calculations performed at Tyndall Institute in Cork, doping with these elements is supposed to increase the band gap of Cu2O. In chapter I, we introduce the context of this thesis. After explaining the required conditions that a material must fulfil to be a p-type TCO, we present the state of the art of Cu2O. In chapter II, we present all the techniques used in this work, from the elaboration (MOCVD, thermal annealing) to characterization (SEM, TEM, AFM, XRD, FTIR, Raman spectroscopy, XPS, UV-vis-NIR spectroscopy, 4 point probe and Hall effect measurement). In chapter III, our objective is to synthesize pure, undoped Cu2O thin films. We explore the influence of the MOCVD parameters on the films composition and morphology. We get homogenous films on Si/SiO2 substrates, while we get heterogeneous films with un-deposited parts on silicon substrate. In addition, we show the risk to get the metallic copper phase when precursor concentration is high, oxygen partial pressure is low, and/or temperature is high. This enables us to determine the optimal deposition conditions. Starting from those optimal conditions, we study the influence of strontium doping on the functional properties of the films (resistivity, band gap and visible light transmittance) in chapter IV. A decrease of resistivity was observed with strontium doping. While undoped films show resistivity values of 103 Ω.cm or more, films doped from 6 to 15% strontium show resistivity values of about 10 Ω.cm. P-type conductivity was confirmed through Hall effect measurements, with a mobility close to 10 cm2.V-1.s-1 and a charge carrier density of about 1016 cm-3. The large difference between this carrier density and the Sr concentration can be linked with the presence of a strontium carbonate and fluoride contamination that was detected by FTIR and XPS. The exact influence of those impurities is not well known. In addition, no significant variation of optical properties was observed, the band gap remained close to 2.4 eV and average transmittance in the 500-1000 nm range was about 55%. Similar tendencies were observed for calcium doping, addressed in chapter V. Calcium doping showed the particularity of leading to the presence of cavities localized at the substrate/Cu2O interface, for a high dopant concentration and under UV assistance. Eventually, we performed thermal annealing on some samples, doped and undoped, in chapter VI. For undoped samples, it allowed to decrease resistivity in the 10-100 Ω.cm range. For doped samples, it allows samples showing initial resistivity of about 10 Ω.cm to decrease it to 1 Ω.cm. No impact of thermal annealing on sample morphology or composition was observed. In this thesis, we successfully established the effects of Sr or Ca doping, which lead to a significant decrease of the resistivity without impact on the optical properties, unlike what was predicted by the ab initio calculations. We were thus able to improve the p-type transparent Cu2O thin films properties

Mise en évidence d'une solution solide Bi(1-x)Cd(x)O(1,5-x/2) avec 0,111