Letteratura scientifica selezionata sul tema "Matériaux pour l’énergie"

Le graphène en particulier, et les matériaux 2D en général, sont une nouvelle filière de matériaux aux propriétés physiques très intéressantes. Leurs propriétés électroniques, thermiques et mécaniques en font des matériaux de choix pour de nombreuses applications, dans les domaines aussi que les technologies de l’information et de la communication, la santé, l’énergie, le transport. Compte tenu des potentialités de ces matériaux, de nombreux grands programmes de recherche se sont développés au niveau international, pour étudier ces matériaux, et bénéficier des innovations qui en découleraient pour le développement de nouveaux emplois et de nouvelles richesses. Sur le plan de la formation, avec le soutien du GIP CNFM et de l’IDEFI FINMINA obtenu par le réseau du CNFM, le pôle CNFM de Lille s’est doté de nouveaux équipements qui permettent d’explorer, d’analyser, et de fabriquer des composants et systèmes avec ces matériaux 2D. Il s’agit notamment d’un four de croissance de graphène, d’un spectromètre Raman permettant de caractériser les matériaux 2D, du développement d’un système de transfert du graphène sur un matériau hôte. Cette communication va présenter la méthodologies mise en place, pour sensibiliser les étudiants du master 2 sur la manipulation de ces nouveaux matériaux.

Résumé Pendant la Deuxième Guerre mondiale, les fleuves et les rivières canadiennes furent mobilisés pour fournir de l’énergie pour la production militaire. Au Québec plus que dans toute autre province, on assista à l’intégration de réseaux hydroélectriques, à la construction de barrages, et à l’introduction de nouvelles méthodes de planification de la conservation énergétique. Ces actions eurent pour effet d’augmenter substantiellement l’énergie électrique disponible pour la production des matériaux de guerre nécessaires à l’effort militaire des Alliés. Peu d’attention fut portée aux effets environnementaux de la production énergétique, mais comme les réseaux connurent une forte croissance d’échelle, leurs effets se ressentirent sur de grandes distances, et des programmes de production et de conservation énergétique contribuèrent à coordonner les pratiques des rivières et des fleuves éloignées. Les grands réseaux techniques devinrent ainsi des éco-réseaux.

Yves Parlier se passionne très jeune pour la navigation et la météorologie. Après une formation d’ingénieur en matériaux composites, il devient précurseur dans le domaine de l’ingénierie et de la navigation. Devenu skipper professionnel, il remporte de nombreuses et prestigieuses courses au large. À la fin des années 2000, il arrête la course pour se lancer dans la décarbonation des marines et invente la traction par aile de kite, qui permet de diminuer les émissions de gaz à effet de serre des navires en utilisant l’énergie du vent .

Cet article cherche à démontrer que les efforts menés par les économies en croissance rapide pour sécuriser un accès aux ressources énergétiques ainsi que leur contrôle reposent souvent sur des alternatives à un impérialisme énergétique. Au dix-neuvième, vingtième et vingt-et-unième siècles, les économies montantes ont utilisé une variété de stratégies pour assouvir leurs besoins croissants en énergie en créant et en maintenant des flux d’énergie et de matériaux à haute intensité énergétique. Ces stratégies ont parfois donné de meilleurs termes d’échange pour les régions exportatrices de ressources. Cet article expose un modèle des stratégies d’accès à l’énergie qui ne reposent pas sur un impérialisme énergétique et présente des cas d’étude illustratifs qui explorent une large diversité de temps, d’espaces et de sources d’énergie.

Les piles microbiennes à plante sont des technologies pour la production d’énergies propres et renouvelables basées sur la photosynthèse. Dans cette étude, nous démontrons dans un premier temps la faisabilité de la conversion directe de l’énergie solaire captée par la plante en électricité, la tension maximale produite en circuit ouvert est de 0.3 V. L’effet de la composition de l’eau influe significativement sur la tension indiquant le rôle des sels minéraux pour le système électrochimique et pour la vitalité de la plante. Le processus de la photosynthèse est lié directement à l’influence de la lumière et le pH du sol augmenterait la tension produite. La plante Bromelia Vriesea présente un outil biologique intéressant pour la production de bioélectricité en optimisant les conditions physico-chimiques (pH du sol, lumière, type de plante) et électrochimiques (matériaux d’électrodes).

La maitrise de l’énergie de fusion offrirait une ressource énergétique bas carbone d’un intérêt majeur. Avec ITER, réacteur expérimental en construction à Cadarache, les recherches vont pouvoir entrer dans une phase décisive. Dans cet article, sont décrits les principes de la fusion nucléaire par confinement magnétique, les étapes franchies jusqu’au projet ITER, et ses objectifs. L’avenir de la fusion dépend d’autres recherches en cours, qui concernent en particulier le choix de la configuration magnétique optimale. La mise en œuvre de technologies de rupture, en particulier dans le domaine des matériaux, pourrait aussi se révéler décisive pour l’avenir de la fusion.

Le contexte climatique et géopolitique pousse nos sociétés à rechercher comment utiliser au mieux de nouvelles ressources d’énergie, sans contribuer à l’effet de serre. Cependant, « neutre vis-à-vis de l’effet de serre » ne veut pas dire sans carbone. Ainsi, évaluer la neutralité carbone doit se faire sur l’ensemble d’une filière de transformation, et les lois de la thermodynamique s’appliquent à chaque étape. Dans le mix énergétique actuel, le carbone fossile est majoritaire et dominant. Et, même dans un système futur, le carbone restera incontournable pour les matériaux, la chimie et l’énergie, tout comme pour l’alimentation. Nous allons voir qu’il s’agit moins de « décarboner » le système que de le « défossiliser ». Le carbone étant alors une ressource critique, il s’agit d’en favoriser les meilleurs usages et de maximiser son rendement de transformation.

Compte tenu de l’épuisement des énergies utilisées actuellement, telles que les énergies fossiles, et du constat établi par les experts concernant les exigences écologiques, il est nécessaire de trouver des nouvelles sources d’énergies afin de préserver les ressources planétaires pour les générations futures. Dans le contexte actuel, l’énergie solaire est de loin la plus intéressante et la plus avantageuse. Notre objectif est de l’utiliser dans l’habitat. Ainsi notre travail consiste en une conception et adaptation d’une maison thermo - solaire, qui permet un stockage suffisamment important de la chaleur qui provient des rayons solaires, de façon à se passer des énergies d’appoint, en utilisant des dispositifs nécessaires pour une autonomie totale tel que le dimensionnement et l’orientation des murs, par rapport au soleil, les matériaux solaires utilisés et l’aspect architectural de la maison.

Pénurie de masques, de semi-conducteurs, de matériaux… les ruptures de chaînes d’approvisionnement se sont multipliées sous l’effet de la crise sanitaire. L’idée de réindustrialiser la France s’est alors imposée rapidement et matérialisée par des engagements forts des pouvoirs publics dès 2020 avec un écho favorable auprès des entreprises et porteurs de projets. Malgré les conséquences de l’invasion de l’Ukraine sur les coûts de l’énergie qui pénalisent particulièrement le secteur, la France a confirmé cette ambition avec le plan Industrie verte. Mais les entreprises qui souhaitent créer de nouvelles activités doivent faire face à d’autres pénuries : en foncier et … en profils qualifiés. L’industrie du XXI e siècle, respectueuse de nos engagements environnementaux et utilisant la puissance du numérique, doit et devra faire appel à de nouvelles compétences. Alors faut-il une vaste campagne de valorisation de ces métiers ? Faut-il un plan massif de formation ? Quels objectifs pédagogiques viser quand il s’agit de pourvoir des postes dans des fonctions évolutives ? Le modèle pédagogique de 42, plébiscité au niveau international, peut-il devenir une source d’inspiration pour les métiers présents et à venir de l’industrie ?

Résumé – Le présent article s’intéresse particulièrement à l’analyse de la biodiversité et les formes d’utilisation des PFNL par les populations rurales riveraines de la forêt classée de la Lama dans les Communes de Toffo et Zogbodomey dans un contexte des changements climatiques.Les données ont été collectées à partir des enquêtes ethnobotaniques et socioéconomiques. Au total 806 personnes ont été enquêtées dans les villages riverains de la forêt classée. Le calcul de la valeur d’usage ethnobotanique et des analyses statistiques ont permis de traiter les données et informations collectées. Un total de 162 espèces réparties en 142 genres et 67 familles ont été identifiées et sont utilisées par environ 80 % des populations rurales au quotidien surtout en période de soudure et ou de sécheresse. Les Rubiaceae 31 %, les Leguminosae 28 %, les Moraceae 17 %, les Caryophyllaceae 13 % et les Bignoniaceae 11 % sont les familles les plus dominantes. Les organes prélevés sont les feuilles avec une proportion de 37 %, les fruits suivent avec 26 %, a planté entière et la racine occupent respectivement 10 % et 25 % ; 1 % pour la tige et l’écorce.Les PFNL sont utilisés comme plantes médicinales (60 %) ; Nourritures (24 %) et artisanale (plantes ornementales, de l’énergie, des matériaux de construction, des équipements de pêche, des biens et des ustensiles 18 %) et font objet d’échanges commerciaux, de besoins de subsistance et aussi de source de revenus et d’emploi. Il ressort les PFNL contribuent ainsi à, la réduction de la pauvreté et la sécurité alimentaire contribuant ainsi à la résilience des communautés dans un contexte des changements climatiques.Mots clés : PFNL, Forêt classée, Lama (Toffo et Zogbodomey), résilience, changements climatiquesAbstract - This article is particularly interested in the analysis of biodiversity and forms of use of NWFPs by rural populations bordering the Lama classified forest in the Districts of Toffo and Zogbodomey in a context of climate change.Data were collected from ethnobotanical and socioeconomic surveys. A total of 806 people were surveyed in the villages bordering the classified forest. Calculation of ethnobotanical use value and statistical analyzes are used to process the data and information collected.A total of 162 species divided into 142 genera and 67 families have been identified and are used by about 80% of rural populations on a daily basis, especially during the lean season and/or drought. Rubiaceae 31%, Leguminosae 28%, Moraceae 17%, Caryophyllaceae 13% and Bignoniaceae 11% are the most dominant families. The removed organs are the leaves with a proportion of 37%, the fruits follow with 26%, whole planted and the root respectively occupy 10% and 25%; 1% for stem and bark.NTFPs are used as medicinal plants (60%); Food (24%) and crafts (ornamental plants, energy, building materials, fishing equipment, goods and utensils 18%) and are subject to trade, subsistence needs and also source income and employment. It appears that NWFPs thus contribute to poverty reduction and food security, thus contributing to the resilience of communities in a context of climate change.Keywords: PFNL, Classified Forest, Lama (Toffo and Zogbodomey), resilience, climate change

Ces dernières années, les performances des matériaux multiferroïques ont beaucoup progressé avec les composites à deux phases : magnetostrictive et piézoélectrique. Les composites utilisent le couplage entre le magnétisme et la piézoélectricité par le biais de la magnétostriction. On obtient ainsi le contrôle de l’aimantation par le champ électrique électrique et à l’inverse celui de la polarisation électrique par un champ magnétique (ce qui nous intéresse ici). Cela pousse l’électronique vers des solutions plus vertueuses pour l’environnement avec une baisse de la consommation électrique des circuits (les commandes en courant sont remplacées par des commandes en tension) et le remplacement des piles d’alimentation, qui doivent être changées périodiquement, par des systèmes de récupération d’énergie pérenne. La récupération d’énergie est très présente avec l’Internet des Objets (IoT). Malgré leur performance, ces composites restent perfectibles, notamment au niveau de la phase magnetostrictive. Son optimisation est indispensable. Le matériau courant est le Terfenol-D à cause de sa magnétostriction géante, dans sa forme massive et monocristalline. Ce matériau historique demeure rare, cher, fragile et son procédé de tirage n’est pas adapté à la fabrication de dispositifs miniatures. Ce travail a donc porté sur l’étude comparative des voies de fabrication de disques miniatures de Terfenol-D pour la réalisation de récupérateurs d’énergie. Une étude de fond a été menée sur des séries de disques découpés dans des lingots d’alliages commerciaux (monocristallins et polycristallins). Ensuite, nous sommes tournés vers la méthode du frittage isotrope de poudre avec très peu de recul sur ce matériau. Le frittage conventionnel a conduit aux premiers disques fonctionnels sans découpe mais manquant de densité et de tenue mécanique. Ces défauts ont ensuite été corrigés grâce à la technique de SPS (Spark Plasma Sintering) mais la reproductibilité dans le temps reste à améliorer. Les disques de Terfenol-D (découpés et fabriqués) ont été assemblés avec la phase piézoélectrique (PZT commercial). Des caractérisations électriques par la méthode sans contact ont validé leur aptitude à récupérer de l’énergie, en proportion moindre quand on le compare au Terfenol-D monocristallin comme attendu, mais en quantité suffisante pour les applications ciblées. Enfin, une solution alternative a été explorée avec l’alliage magnétique à mémoire de forme NiMnGa offrant de très grandes déformations. Une perspective vers un bouton poussoir autonome sans fil est présentée en toute fin
In recent years, performances of multiferroïc materials have considerably improved with two-phase composites: magnetostrictive and piezoelectric. These composites take advantage of the coupling between magnetism and piezoelectricity through magnetostriction. Thus they allow control of magnetization with electrical voltage, and conversely, to get an electrical polarization depending on the magnetic field (our focus in this case). This drives electronics towards more environmental friendly solutions, namely with lower circuit power consumption (current controls are replaced by voltage controls) and the replacement of batteries, which must be periodically changed, by sustainable energy harvesting systems. Energy harvesting solutions are popular with the Internet of Things (IoT). Despite their performance, these multiferroïc composites remain perfectible, especially regarding the magnetostrictive phase. Its optimization is essential. The common material is Terfenol-D because of its giant magnetostriction, used in its massive and monocrystalline form. This material remains rare, expensive, fragile and its growing method is not adapted to the manufacturing of miniature devices. This work focuses on a comparative study of Terfenol-D miniature disk manufacturing pathways for the production of energy harvesters. A benchmark study was carried out on a series of disks cut in commercial alloy ingots (monocrystalline and polycrystalline). Next, the isotropic powder sintering method was investigated with very little background on this material. Conventional sintering led to the first functional disks needing no ulterior machining but with low density and mechanical strength. These defects were then corrected using the SPS technique (Spark Plasma Sintering) but the reproducibility over time has yet to be improved. The Terfenol-D disks (both cut and manufactured) were assembled with the piezoelectric phase (commercial PZT). Electrical characterizations using a contactless method have validated their potential to harvest energy, in lesser amounts than monocrystalline Terfenol-D as expected, but in a large enough quantity regarding most of applications. Finally, an alternative solution has been explored with NiMnGa shape magnetic alloys offering very large deformations. A perspective to a wireless autonomous push button prototype is presented at the very end

Le présent travail de thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de nouvelles molécules et matériaux à base de polyoxométallates (POMs) pour des applications dans les domaines de l’énergie et l’environnement. Dans le domaine de l’environnement, notre choix s’est porté sur la transformation électro-catalytique et photo-catalytique des espèces polluantes comme les oxydes d’azote et les colorants azoïques toxiques comme l’Acide Orange 7. Pour ce qui concerne le domaine de l’énergie, nous nous sommes focalisés sur des systèmes électro- catalytiques pour la production de l’hydrogène (combustible à fort pouvoir calorifique) et pour la réduction du di-oxygène (intérêt dans le fonctionnement des piles à combustibles). Ces réactions nécessitent généralement plusieurs électrons pour se produire, c’est pour cette raison que notre choix s’est porté sur les catalyseurs à base de POMs. En effet, les POMs sont capables de stocker, puis de restituer, un grand nombre d’électrons sans changer de structure.Dans la première partie, divers POMs qui prennent en sandwich plusieurs métaux de transition sont synthétisés et caractérisés par des méthodes expérimentales (voltamétrie cyclique, coulométrie, microbalance) et théoriques (calculs DFT). Ces composés montrent une très bonne activité électro-catalytique pour la réduction des substrats tels que les oxydes d’azote, le di-oxygène et le peroxyde d’hydrogène.Dans la seconde partie, des matériaux aux propriétés améliorées sont synthétisés par incorporation de POMs dans des matrices tels que les réseaux moléculaires de type MOF (Metal Organic Framework) et dans les polymères liquides ioniques. L’association avec un semi-conducteur comme le TiO₂ est aussi considérée. Les matériaux obtenus sont caractérisés par diverses techniques : infrarouge à transformée de fourrier, électrochimie, spectroscopie en réflectance diffuse, analyse thermogravimétrique, diffraction de rayons X, spectroscopie de photo-électrons X, microscopie électronique à transmission. Les matériaux à base de POMs et de MOFs sont très performants pour la réduction électro-catalytique des protons, avec des potentiels de début effectif de la réaction, meilleurs que ceux des électrodes de platine. Les hybrides à base de POMs, de polymères liquides ioniques et du TiO₂ sont photo-sensibles sous lumière visible, contrairement à leurs composants. Ils démontrent une bonne activité vis-à-vis de la dégradation de l’Acide Orange 7. De plus, le composite obtenu par photo-déposition de nanoparticules d’argent sur ces matériaux présente de bonnes performances électro-catalytiques comme cathode pour la réduction du O₂ et du NO‾₃
The present work concerns the synthesis and characterisation of new polyoxometalate (POMs) based molecules and materials for applications in energy and environment matters. As far as the environment is concerned, our efforts involved the electro-catalytic and photo-catalytic transformation of pollutants such as nitrogen oxides and recalcitrant azo dyes like Acid Orange 7. As for the domain of energy, we focused on electro-catalytic systems aimed at producing dihydrogen (a high calorific power fuel) and at reducing dioxygen (an important reagent in fuel cells). These reactions usually require several electrons in order to take place, which led us to choose POM-based catalysts. In fact, POMs are capable of stocking and returning an important number of electrons without changing their structure.In the first part, several POMs in which different transition metals are sandwiched in the equatorial plane of the molecular scaffold are synthesised and characterised by experimental (cyclic voltammetry, coulometry, microbalance) et theoretical (DFT calculations) methods. These compounds have shown a very good electro-catalytic activity towards the reduction of substrates such as nitrogen oxides, dioxygen and hydrogen peroxide.In the second part, some materials exhibiting improved properties are synthesised through the incorporation of POMs in matrices like Metal Organic Framework (MOF)-type molecular networks and ionic liquid polymers. The association with a semi-conductor such as TiO₂ has also been considered. The materials obtained were characterised by several techniques: Fourier transform infrared spectroscopy, electrochemistry, diffuse reflectance spectroscopy, thermogravimetric analysis, X ray diffraction, X ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy. The POM and MOFs based materials are very performing for the electro-catalytic reduction of protons, having onset potentials better than those exhibited by platinum electrodes. The hybrids consisting of POMs, ionic liquid polymers and TiO₂ are photo-sensitive under visible light, unlike each component taken individually. They have shown a good activity towards the degradation of Acid Orange 7. In addition, the composite obtained by photo-deposition of silver nanoparticles on these materials exhibits a good electro-catalytic performance as a cathode for the reduction of O₂ and NO‾₃

Le domaine des matériaux hybrides organiques-inorganiques prend beaucoup plus d'importance de jour en jour. Ce projet de thèse traite les avantages de ce genre de matériaux et synthétise des matériaux utilisés dans deux domaines, le premier celui de l'énergie et le second dans l'environnement.Des matériaux π-conjugués à base de poly(3-hexylthiophène) (P3HT) et de silice sont synthétisés et caractérisés. Il a été montré que l'auto-assemblage lors du procédé sol-gel favorise la polymérisation régiorégulière des motifs thiophènes au sein du matériau.D'un autre coté, des matériaux hybrides organisés (mésoporeux et lamellaires) fonctionnalisés par des groupements amines ou acides ont été préparés et caractérisés. Par des modifications chimiques simples, il a été possible de rendre ces matériaux utilisables comme résines échangeuses d’ions pour la dépollution de l'eau. Les résultats montrent que les matériaux lamellaires sodiques s'avèrent les plus efficaces. Ces mêmes matériaux sont testés au niveau de la catalyse chimique et de l'époxydation qui a ouvert plusieurs perspectives sur le sujet
The field of organic-inorganic hybrid materials takes much more importance day by day. This thesis project addresses the benefits of such materials and summarizes the materials used in two areas, energy and environment.Π-conjugated materials based on poly (3-hexylthiophene) (P3HT) and silica were synthesized and characterized. We showed that the organization obtained thanks to self-assembly of the alkylenes chains and during the sol-gel process promote a regioregular polymerization of thiophenes units.On the other hand, organized (mesoporous and lamellar) hybrid materials functionalized with amines or carboxylic acids groups were synthesized and characterized. By chemichal modifications zwitterionic materials were and used for ions extractions from water. The results show that the layered materials containig sodium ions are the most effective for the cations extraction. These same materials were tested as catalysts for epoxidation which opened several perspectives on the subject

Ce mémoire porte sur la synthèse de matériaux composites nanostructurés à base de polyoxométallates pour la conversion de l’énergie et des applications à des problèmes environnementaux. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux composés nouveaux de cette famille d’oxydes moléculaires ont été synthétisés puis ont été associés à différentes matrices éco-compatibles dans le respect des principaux critères de la Chimie Verte. Les principales techniques d’étude sont l’électrochimie, la photochimie et la spectroscopie UV-visible. Dans le domaine de l’énergie, les catalyseurs obtenus se sont révélés très efficaces dans des réactions très importantes mais difficiles à réaliser, comme la production de l’hydrogène, la réduction de l’oxygène et l’oxydation de l’eau. De même, parmi les applications aux problèmes de dépollution, ces nanomatériaux ont montré une forte activité électrocatalytique et photocatalytique pour la réduction des oxydes d’azote, des bromates et la photodégradation d’un colorant textile toxique, l’Acide Orange 7. Les performances de ces nouveaux catalyseurs sont comparables à celles des meilleurs systèmes connus
This thesis focuses on the synthesis of nanostructured composite materials based on polyoxometalates for energy conversion and applications to environmental problems. To achieve these goals, many new compounds of this family of molecular oxides were synthesized and were associated with different nature friendly matrices, in agreement with the main criteria of Green Chemistry. In the field of energy, the new catalysts have proved very effective in important but difficult to achieve reactions, such as producing hydrogen, oxygen reduction or water oxidation. Similarly, among applications to pollution problems, these nanomaterials have shown a strong electrocatalytic and photocatalytic activity for the reduction of nitrogen oxides, bromate and for the photodegradation of a toxic textile dye, Acid Orange 7. The performances of these new catalysts are comparable to those of the best known systems

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage de l'énergie électrique particulièrement intéressants pour les applications de puissance. Les rendre flexibles permet de considérer de nouvelles possibilités d'intégration. Néanmoins, l'optimisation de la densité d'énergie, point faible de ces dispositifs, passe par la recherche et l'étude de nouveaux matériaux d'électrode et d'électrolytes. Dans ce but, ce travail de thèse s'est orienté vers des matériaux pseudo-capacitifs, avec l'utilisation d'électrodes à base de MnO2, et d'électrolytes à base de liquide ionique fonctionnalisé de type biredox. Afin de conserver le caractère flexible des électrodes, le dioxyde de manganèse a d'abord été synthétisé pour la formulation d'encres à pulvériser sur substrat flexible. A cette occasion, l'influence de dispersants sur les performances a été étudiée. Les performances de matériaux nanocomposites à base de fibres de carbone et de graphène décorés par MnO2 ont ensuite été évaluées. Les contributions faradiques et surfaciques à la capacité développée par MnO2 ont ensuite été déterminées par une étude électrochimique fine. Enfin, l'étude d'un nouveau liquide ionique fonctionnalisé utilisé dans un dispositif carbone/carbone a confirmé l'attractivité de ces phénomènes faradiques dans les performances électrochimiques d'un supercondensateur
Supercapacitors are attractive electrical energy storage devices for power applications. As flexible devices new integration opportunities can be consider. Nevertheless, the optimization of the energy density, weak point of these devices, proceeds through the search and the study of new electrode materials and electrolytes. In this aim, this thesis work is turned towards so called pseudo-capacitive materials, with the use of MnO2-based electrodes, and biredox Ionic Liquid electrolytes. To preserve the flexible behavior of the electrodes, the manganese dioxide was, at first, synthesized for the formulation of an ink to be sprayed on flexible substrates. The influence of dispersing agents on the electrochemical performances was evaluated. Performances of nanocomposite materials prepared with carbon nanofibers and graphene oxide sheets were also studied. Faradaic and surface contributions to the capacity developed by MnO2 electrode material were then determined by an advanced electrochemical study. Finally, the study of a new Ionic Liquid used in a symmetrical carbon/carbon supercapacitor confirmed the attractiveness of these Faradaic phenomena for the enhancement of the supercapacitor electrochemical performances

Dans le domaine des matériaux utilisés comme absorbeurs dans les dispositifs de conversion de l’énergie solaire on peut distinguer deux grandes filières : les matériaux massifs, dans lesquels domine le silicium cristallin, et les matériaux en couches minces. Ces derniers présentent de nombreux avantages par rapport aux matériaux cristallins. Un de ces avantages est que les technologies utilisées sont moins consommatrices d’énergie ce qui assure un retour sur investissement relativement rapide. En outre, ils peuvent être déposés sur de grandes surfaces. On peut citer comme matériaux le silicium amorphe hydrogéné, les alliages CIGS ou les composés tels que le CdTe. De nouveaux matériaux sont également apparus comme les organiques ou les pérovskites. Toutefois, ils présentent l’inconvénient de donner des dispositifs avec un rendement de conversion plus faible que les matériaux cristallins massifs. C’est pourquoi des recherches sont toujours en cours pour améliorer les propriétés de transport de ces matériaux afin d’optimiser les rendements de conversion des dispositifs associés. Ces recherches passent par une caractérisation des propriétés de transport en lien avec leurs paramètres de fabrication.Au laboratoire GeePs l’équipe "semi-conducteurs en couche mince" a développé de nombreuses techniques de caractérisation de ces couches minces. Parmi ces techniques, essentiellement basées sur les propriétés photoconductrices des films minces, on trouve des mesures de conductivité et photo-conductivité qui donnent aussi accès à l’énergie d’activation et au produit mobilité-durée de vie des porteurs majoritaires. On trouve également la technique de photo-courant modulé qui donne accès à la densité d’états dans la bande interdite ou bien encore une technique d’interférométrie laser (SSPG pour steady state photocarrier grating) qui donne une estimation du produit mobilité-durée de vie des porteurs minoritaires. Les générations lumineuses utilisées (DC, modulée, interférentielle) variant d’une technique à une autre, toutes ces techniques étaient jusqu’à présent réalisées sur différents bancs de mesure, certains permettant des mesures sous vide en fonction de la température, d’autres réalisant les mesures sous atmosphère et température ambiante.Durant cette thèse nous avons regroupé toutes ces techniques sur un même banc de mesure et toutes les caractérisations peuvent maintenant se faire sous vide et en fonction de la température pour différentes formes de générations lumineuses. Ceci assure que les échantillons sont mesurés dans les mêmes conditions et que tous les paramètres obtenus concernent bien un même état donné du film étudié. Ceci est particulièrement indispensable pour les matériaux organiques ou les pérovskites dont les qualités peuvent se dégrader par exposition prolongée à l’air ambiant. Ce nouveau banc de mesure a nécessité des développements mécaniques (réalisation d’un nouveau cryostat, réalisation d’un système automatique d’interférences à pas variable), techniques (utilisation d’un modulateur électro-optique pour produire les générations lumineuses désirées) et informatiques (pilotage et contrôle de l’ensemble du système, prise de mesure automatique).Nous présentons tout d’abord les développements théoriques de chacune des techniques afin de préciser quel(s) paramètre(s) on peut en déduire et leurs conditions de mesures. Puis, dans une seconde partie nous présentons les développements techniques que nous avons réalisés pour assurer de bonnes conditions de mesure. Enfin, nous présentons les caractérisations réalisées et les résultats expérimentaux que nous avons obtenus sur différents types de films minces. Un matériau a particulièrement été employé pour valider les nouvelles mesures, le silicium amorphe hydrogéné, mais nous avons également étudié des matériaux comme des pérovskites, P3HT:PCBM (organique) ou encore Sb₂S₃
In the field of materials used as absorbers in solar energy conversion devices there are two major sectors: bulk materials in which dominates the crystalline silicon (c-Si) and thin film materials. These latters have many advantages over crystalline materials. One of these advantages is that the technologies used are less energy demanding which ensure a relatively quick payback. Furthermore, they can be deposited over large areas. Some thin films to be mentioned are the hydrogenated amorphous silicon, CIGS alloys or compounds such as CdTe. New materials have also emerged as organic blends or perovskites. However, they have the disadvantage to lead to devices with lower conversion efficiency than c-Si. This is why researches are ongoing to improve the transport properties of these materials to optimize the conversion efficiencies of the associated devices. These researches pass through a characterization of the transport properties in connection with manufacturing parameters.In GeePs laboratory the "thin film semiconductor" team has developed many characterization techniques for these thin films. Among these techniques, mainly based on their photoconductive properties, one finds conductivity and photoconductivity measurements that provide also access to the activation energy and the mobility-life time product of the majority carriers. There is also the modulated photocurrent technique that gives access to the density of states in the band gap or even a laser interferometry technique (SSPG for steady state photocarrier grating), which gives an estimate of the mobility-life time product of minority carriers. The light generations used (DC, modulated, interference) varying from one technique to another, all these techniques were previously performed on different benches, some enabling temperature dependent measurements under vacuum, other making measurements under atmospheric pressure at room temperature.During this thesis we gathered all these techniques on the same measurement bench and all the characterizations can now be done under vacuum and depending on temperature for different "shapes" of light generation. This ensures that the samples are measured under the same conditions and that all the parameters obtained well relate to the same given state of the studied film. This is particularly essential for organic materials or perovskites whose quality can be deteriorated by long term exposure to ambient air. This new bench required mechanical (construction of a new cryostat, realization of an automatic interference system with variable grating period), technical (use of an electro-optic modulator to produce the desired light generation) and software (control of the entire system, automatic measurement) developments.We first present the theoretical developments of each technique to clarify which parameter(s) can be deduced and its measurement conditions. Then, in a second part we present the technical developments we have made to ensure good measurement conditions. Finally, we present the characterizations performed and the experimental results we obtained on different types of thin films. A material was particularly used to validate the new measurements, hydrogenated amorphous silicon, but we also studied materials such as perovskites, P3HT:PCBM (organic) or Sb₂S₃

Le stockage de l’énergie est devenu un enjeu mondial et un défi majeur pour la transition énergétique. Il est, en effet, nécessaire de développer des matériaux de batteries plus efficaces et facilement recyclables pour un développement responsable de ces technologies.Dans le cadre de cette thèse, les MOFs ont été utilisés comme matériaux de batteries mais aussi comme outil pour le recyclage de batteries Li-ion. Trois différents modèles de matériaux ont ainsi été synthétisés, basés sur des groupements phosphonates, sulfonates ou encore carboxylates associés à différents métaux de transition (Fe, Co, Ni et Mn). Des performances électrochimiques intéressantes ont été obtenues et des analyses après leurs cyclages ont permis de mieux mettre en évidence les avantages des MOFs en tant que matériaux d’électrodes. Enfin, une méthode de recyclage a été développée par la précipitation sélective de métaux sous la forme de MOFs dans de vraies solutions de déchets de batteries Li-ion. La formation de matériaux à haute valeur ajoutée peut-être une des solutions pour fermer le cycle de vie des batteries Li-ion de façon économique
Energy storage is one of the biggest challenges for next decades and a key player for the energy transition. The management of renewable energy production requires more efficient and easily recyclable electrochemical energy storage devices for the eco-responsible development of those technologies.During this PhD thesis, MOFs were used as electrode material but also as a tool for recycling of Li-ion batteries. Three differents MOFs, based on phosphonate, sulfonate or carboxylate ligands, have been developed with different transition metals (Fe, Ni, Mn and Co). Promising electrochemical properties have been observed and post-cycling analysis allowed enlightening the advantages of MOFs as electrode materials. Finally, a recycling method have been developed by the selective precipitation of metals as MOFs in real Li-ion battery waste solutions. The formation of high valuable materials could be one way to close the life circle of batteries economically

Dans ce manuscrit, un travail multidisciplinaire, de la synthèse de précurseurs métalliques à la caractérisation des matériaux est présenté. La première porte sur l’élaboration de poudres d’oxyde TiO2 dopé Nb5+ et d’oxydes mixtes SnO2-TiO2 dopé Nb5+ par une approche Sol-Gel. Leur mise en forme sous forme de pastille par une méthode moderne de frittage flash (SPS) a permis d’étudier leurs propriétés physiques vibrationnelles et thermoélectriques. La deuxième partie de cette étude présente l’élaboration de nouveaux précurseurs d’étain et de tantale adaptés au procédé de dépôt de couches minces par DLI-MOCVD. Afin de répondre aux exigences de ce procédé, des dérivés moléculaires à base de ligand beta-aminoalcool fluoré ou pas ont été élaborées. Les complexes métalliques ont ensuite été entièrement caractérisés à l’état solide et en solution. Le bon comportement thermique (stabilité et volatilité) de certains de ces composés ont conduit à l’élaboration et à la caractérisation de couches minces de SnO2 et SnO2:F
In this manuscript, a multidisciplinary work, from the synthesis of metal precursors to the characterization of materials, is presented. The first concerns the development of Nb5+ doped TiO2 oxide powders and Nb5+ doped SnO2-TiO2 mixed oxides by a Sol-Gel approach. Their shaping into a pellet form by a modern flash sintering method (SPS) made it possible to study their physical, vibrational and thermoelectric properties. The second part of this study presents the development of new tin and tantalum precursors adapted to the DLI-MOCVD thin film deposition process. In order to meet the requirements of this process, molecular derivatives based on fluorinated or non-fluorinated beta-aminoalcohol ligand have been developed. The metal complexes were then fully characterized in solid state and in solution. The good thermal behaviour (stability and volatility) of some of these compounds has led to the development and characterization of thin layers of SnO2 and SnO2:F

Ce mémoire est consacré à l’optimisation de la connexion enzymatique pour l’oxydation du glucose et la réduction du dioxygène dans une matrice de nanotubes de carbone (CNTs) sous forme de compression dans les biopiles à glucose, et à l’assemblage de biopiles dans un système à flux. Dans un premier temps, le transfert électronique indirect de la glucose oxydase (GOx) et de la glucose déshydrogénase FAD-dépendante (FADGDH) est optimisé dans une matrice nanostructurée de CNTs contenant différents médiateurs rédox. Ces bioanodes ont pu être combinées avec des biocathodes similaires à bases d’enzymes à cuivre, la laccase (Lac) et la bilirubine oxydase (BOD). La biopile GOx-NQ/Lac présente une puissance de l’ordre de 150 µW sous 150 mmol.L-1 de glucose et la biopile GOx-NQ/BOD orientée par la PP IX, quant à elle, possède une puissance de l’ordre de 0,5 mW sous 5 mmol.L-1 de glucose. Cette biopile présente une très bonne alternative à l’implantable ou à l’alimentation d’un appareil électronique à faible demande énergétique. La partie suivante concerne l’élaboration d’un design de biopile à flux optimisant la diffusion du substrat à l’intérieur de la bioélectrode. De ce fait, plusieurs systèmes de biopiles GOx-NQ/BOD à flux de substrat ont été étudiés. La configuration de flux traversant a permis d’obtenir une puissance de l’ordre de 1 mW sous 5 mmol.L-1 de glucose et oxygène dissous. La possibilité d’utiliser cette pile en décharge continue ou en cycle de charge/décharge a été étudiée. Ce système de biopile à flux de glucose a permis également d’associer plusieurs biopiles en série ou en parallèle. Ainsi, l’alimentation d’un minuteur et d’un test d’ovulation a pu être réalisée à l’aide de biopiles associées en série. D’autre part, l’utilisation d’un circuit de gestion de l’énergie a permis d’alimenter un capteur de température en stockant l’énergie produite par deux biopiles connectées en série. Cette partie se consacre également à une biopile basée sur l’association de la HRP à la cathode et la GOx-NQ à l’anode. Ce système est très intéressant puisque grâce à la maitrise du sens du flux de notre substrat, le peroxyde d’hydrogène formé par l’anode peut être alors consommé par la cathode. Cette pile s’est montrée parfaitement opérationnelle en condition physiologique et a abouti à l’obtention de puissances de l’ordre de 0,8 mW
This work is devoted to the optimization of the enzymatic connection for the oxidation of glucose and the reduction of dioxygen in a matrix of carbon nanotubes (CNTs) in the form of compression in glucose biofuel cells, and the assembly of biofuel cells in a flow system.First, mediated electron transfer of glucose oxidase (GOx) and FAD-dependent glucose dehydrogenase (FADGDH) is optimized in a nanostructured CNTs matrix containing different redox mediators. These bioanodes could be combined with similar biocathodes with copper enzyme bases, laccase (Lac) and bilirubin oxidase (BOD). The GOx-NQ/Lac biofuel cell has a power of the order of 150 μW under 150 mmol L-1 of glucose and the biofuel cell GOx-NQ/BOD oriented by the PP IX, order of 0.5 mW under 5 mmol L-1 of glucose. This biofuel cell presents a very good alternative to the implantable or to the supply of an electronic device with low energy demand.The next part concerns the development of a biofuel cell design with flux optimizing the diffusion of the substrate inside the bioelectrode. As a result, several GOx-NQ/BOD flow systems have been studied. The flow-through configuration made it possible to obtain a power of the order of 1 mW under 5 mmol L-1 of glucose and dissolved oxygen. The possibility of using this battery in continuous discharge or in charge/discharge cycle has been studied. This biofuel cell system with a glucose flow has also made it possible to associate several biofuel cells in series or in parallel. Thus, the power supply of a timer and an ovulation test could be realised using associated biofuel cells in series. The use of an energy management circuit made it possible to supply a temperature sensor by storing the energy produced by two biofuel cells connected in series.Moreover, this part is about another biofuel cell based on the association of HRP with the cathode and the GOx-NQ at the anode. This system is very interesting because, thanks to the control of the flow direction of our substrate, the hydrogen peroxide formed by the anode can then be consumed by the cathode. This stack was perfectly operational in physiological condition and led to the achievement of powers of the order of 0.8 mW

Les matériaux nanocomposites présentent des propriétés physico-chimiques uniques qui ne peuvent être obtenues en utilisant un seul composant. Ainsi, l'amélioration des propriétés de ces matériaux a suscité un intérêt majeur dans différents domaines. Les matériaux nanocomposites diélectriques à haute densité d'énergie présentent des performances prometteuses pour les applications de stockage d'énergie. Des efforts importants ont été menés pour combiner la constante diélectrique élevée de la céramique avec la flexibilité et la facilité de mise en œuvre des polymères. Ainsi, cette thèse porte sur le développement et la caractérisation de nanocomposites à base de céramique BaTiO3 et de polymères fluorés. Dans un premier temps, la synthèse de PVDF-g-BaTiO3 a été réalisée en utilisant la polymérisation RAFT du VDF à partir de la surface des nanoparticules fonctionnalisées, en utilisant différentes concentrations en BaTiO3, et l'effet de ce pourcentage sur les propriétés finales a été étudié. Les résultats ont montré que le greffage du PVDF a été réalisé avec succès, conduisant à des nanocomposites avec une stabilité thermique améliorée. De plus, le succès du greffage du PVDF a été principalement prouvé par la spectroscopie RMN HRMAS, qui a été utilisée pour la première fois pour caractériser les nanocomposites préparés. Les propriétés diélectriques de ces matériaux ont été étudiés et révèlent l'existence de trois relaxations : la première a été attribué à la relaxation secondaire β dans le PVDF, la seconde a été liée à la fraction cristalline dans le polymère, tandis que la troisième relaxation a été attribué à la polarisation interfaciale résultant de la présence de charges et d'impuretés dans le système. Cependant, la relaxation liée à la température de transition vitreuse n'a pas pu être observé en raison de la cristallinité élevée du polymère. Le procédé de mélange en solution a été également utilisé pour préparer des matériaux nanocomposites constitués de PVDF-g-BaTiO3/P(VDF-co-HFP) et les films préparés ont été entièrement caractérisés. La dispersion uniforme des nanocomposites PVDF-g-BaTiO3 dans la matrice de copolymère a conduit à des performances mécaniques améliorées. Ensuite, pour fournir une application pour les nanocomposites PVDF-g-BaTiO3 préparés, ces derniers ont été utilisés comme liant pour préparer un matériau de cathode pour les batteries. La procédure de calandrage a été utilisée pour préparer les films d'électrode et a permis d'obtenir une structure uniforme et des performances de cyclage améliorées
Nanocomposite materials present unique physic-chemical properties that cannot be obtained using one component. Thus, the improvement in the properties of such materials have resulted in major interest for versatile fields. Dielectric nanocomposite materials with high energy density exhibit promising performances for energy storage applications. Major efforts have been conducted to combine the efficient properties and high dielectric constant of ceramics with the flexibility and easy processing of polymers. Thus, this thesis focuses on the development and characterizations of nanocomposites based on BaTiO3 ceramic and fluoropolymers. First, the synthesis of PVDF-g-BaTiO3 was realized using RAFT polymerization of VDF from the surface of functionalized nanoparticles, using different BaTiO3 concentrations, and the effect of such percentage on the final properties was studied. Results showed the successful grafting of PVDF leading to nanocomposites with enhanced thermal stability. Furthermore, the successful grafting of PVDF onto the functionalized nanoparticles was mainly proved by HRMAS NMR spectroscopy, which was used for the first time to characterize the prepared nanocomposites. The dielectric properties of such materials were investigated, and reveals the existence of three relaxations: the first one was attributed to the well-known β secondary relaxation in PVDF, the second one was assigned to the crystalline fraction in the polymer, while the third relaxation was assigned to interfacial polarization arising from the presence of fillers and impurities in the system. However, the relaxation related to glass transition temperature could not be observed due to the high crystallinity of the polymer. Solution blending strategy was also used to prepare nanocomposite materials consisting of PVDF-g-BaTiO3/P(VDF-co-HFP) and the prepared films were fully characterized. The uniform distribution of PVDF-g-BaTiO3 nanocomposites in the copolymer matrix leads to enhanced mechanical performances resulting in increased Young’s modulus. Then, to supply an application for the prepared PVDF-g-BaTiO3 nanocomposites, those later were used as binder to prepare cathode material for batteries. Calendering procedure was used to prepare the electrode films and enabled to obtain uniform structure and enhanced cycling performances

Ce chapitre fait état des principales voies de production de carburants de synthèse à partir de l’énergie solaire concentrée et des matériaux carbonés. D’une part, il est possible de convertir les hydrocarbures (gaz, liquides) par thermolyse ou reformage. D’autre part, les solides carbonés peuvent être gazéifiés pour produire un gaz de synthèse.

Le stockage de l’énergie constitue un défi sociétal majeur qui nécessite la mise en œuvre de batteries de plus en plus performantes. Une étude fine des mécanismes et des matériaux constitutifs de tels systèmes permet une meilleure compréhension des phénomènes conduisant à des limitations de performances et permet ainsi de les améliorer notablement. Couplée à des modèles comportementaux de vieillissement, cette approche permet de garantir des systèmes optimisés pour un stockage de l’énergie performant, sûr et durable, ainsi qu’une amélioration sensible de la durée de vie de ces dispositifs. Après une présentation succincte du principe de fonctionnement d’une batterie à ions lithium, cet article s’intéresse à la composition interne de ces systèmes et présente un modèle permettant de suivre l’état de dégradation et de vieillissement de ce type de dispositifs au cours de leur utilisation.

Les déchets renferment de grandes quantités d’énergie aussi bien directe qu’indirecte. Les déchets ménagers incinérés chaque année en Suisse représentent une valeur énergétique de quelque 60 pétajoules. L’énergie qui en est directement tirée couvre environ 4 % des besoins en énergie finale. Le plus gros potentiel en matière de gestion des déchets réside cependant dans le recyclage des matériaux, afin de leur donner une seconde vie et d’éviter ainsi indirectement la production énergivore de matières premières Pour optimiser la contribution de la gestion des déchets à la transition énergétique, il s’agit dans un premier temps d’améliorer la transparence et la documentation des flux de matières et d’argent et, sur cette base, de hiérarchiser l’impact énergétique des diverses solutions de valorisation et d’élimination. Les catégories de déchets identifiées comme ayant le plus grand potentiel d’amélioration sont le papier, le carton ainsi que le plastique. En ce qui concerne le papier et le carton, les énormes quantités traitées promettent des résultats significatifs. À l’exception des bouteilles en PET, le tri sélectif des plastiques usagés demeure encore peu développé. Un potentiel d’optimisation notable a également été identifié au niveau de l’efficacité énergétique des usines d’incinération. Pour permettre une utilisation plus efficace de la chaleur générée par les usines d’incinération d’ordures ménagère (UIOM), les consommateurs de vapeur et d’énergie thermique doivent toutefois être implantés à proximité. Un facteur décisif pour progresser vers une gestion des déchets plus efficace sur le plan énergétique est la collaboration entre les nombreux acteurs du secteur à l’échelle fédérale. Ceux-ci doivent d’une part mieux s’organiser tout au long de la chaîne de création de valeur et d’autre part tirer profit de la marge de manœuvre que procure la souplesse du fédéralisme pour tester différentes approches.