Model-based study of a chemical-looping combustion process

Chemical-looping combustion (CLC) is a novel combustion technology with inherent separation of the greenhouse gas CO2. The technique typically employs a dual fluidized bed system where a metal oxide is used as a solid oxygen carrier that transfers the oxygen from combustion air to the fuel. The oxygen carrier is looping between the air reactor, where it is oxidized by the air, and the fuel reactor, where it is reduced by the fuel. Hence, air is not mixed with the fuel, and outgoing CO2 does not become diluted by the nitrogen, which gives a possibility to collect the CO2 from the flue gases after the water vapor is condensed. CLC is being proposed as a promising and energy efficient carbon capture technology, since it can achieve both an increase in power station efficiency simultaneously with low energy penalty from the carbon capture. The outcome of a comprehensive literature study concerning the current status of CLC development is presented in this thesis. Also, a steady state model of the CLC process, based on the conservation equations of mass and energy, was developed. The model was used to determine the process conditions and to calculate the reactor dimensions of a 100 MWth CLC system with bunsenite (NiO) as oxygen carrier and methane (CH4) as fuel. This study has been made in Oxygen Carriers and Their Industrial Applications research project (2008 – 2011), funded by the Tekes – Functional Material program. I would like to acknowledge Tekes and participating companies for funding and all project partners for good and comfortable cooperation.

Produção de hidrogênio a partir da reforma a vapor de etanol utilizando catalisadores Cu/Ni/gama-Al2o3

Cu/Ni/gamma-Al2O3 catalysts were prepared by an impregnation method with 2.5 or 5% wt of copper and 5 or 15% wt of nickel and applied in ethanol steam reforming. The catalysts were characterized by atomic absorption spectrophotometry, X-ray diffraction, temperature programmed reduction with hydrogen and nitrogen adsorption. The samples showed low crystallinity, with the presence of CuO and NiO, both as crystallites and in dispersed phase, as well as of NiO-Al2O3. The catalytic tests carried out at 400 ºC, with a 3:1 water/ethanol molar ratio, indicated the 5Cu/5Ni/Al2O3 catalyst as the most active for hydrogen production, with a hydrogen yield of 77% and ethanol conversion of 98%.

Efeito da adição de lantânio em catalisadores de Ni/ZrO2 aplicados na reação de reforma a vapor de etanol

The catalytic performance of Ni/ZrO2 catalysts loaded with different lanthanum content for steam reforming of ethanol was investigated. Catalysts were characterized by BET surface area, X-ray diffraction, UV-vis spectroscopy, temperature programmed reduction, and X-ray absorption fine structure techniques. Results showed that lanthanum addition led to an increase in the degree of reduction of both NiO and nickel surface species interacting with the support, due to the higher dispersion effect. The best catalytic performance at 450 ºC was found for the Ni/12LZ catalyst, which exhibited an effluent gaseous mixture with the highest H2 yield.

An undergraduate level experiment on the synthesis of Au nanoparticles and their size-dependent optical and catalytic properties

The synthesis of gold nanoparticles (Au NPs) 15, 26, and 34 nm in diameter, followed by the investigation of their size-dependent optical and catalytic properties, is described herein as an undergraduate level experiment. The proposed experiment covers concepts on the synthesis, stabilization, and characterization of Au NPs, their size-dependent optical and catalytic properties at the nanoscale, chemical kinetics, and the role of a catalyst. The experiment should be performed by groups of two or three students in three lab sessions of 3 h each and organized as follows: i) synthesis of Au NPs of different sizes and investigation of their optical properties; ii) evaluation of their catalytic activity; and iii) data analysis and discussion. We believe that this activity enables students to integrate these multidisciplinary concepts in a single experiment as well as to become introduced/familiarized with an active research field and current literature in the areas of nanoparticle synthesis and catalysis.

Seeder-fertilizer machine: energetic demand as a function of vegetal covering handling and manure deposition shank depth in no-tillage system

The purpose of this work was evaluating the energetic demand of a seeder-fertilizer machine as a function of the type and handling of vegetal covering culture and of the fertilizer deposition shank depth. A Valtra BM100 tractor was used implemented to pull a high precision seeder-fertilizer machine with four ranks of seeding, spaced 0.9 m for maize culture. Experiment was conducted with design in randomized blocks in factorial plots, in the Laboratory of Machines and Agricultural Mechanization experimental area (LAMMA) of UNESP-Jaboticabal, using two covering cultures (black-mucuna and crotalaria), three handlings of this covering, two mechanical (straw crusher and roller knife) and one chemical (pulverization of herbicide), performed 120 days after seeding of covering cultures and three depths of fertilizer deposition shank, completing 18 treatments, with four repetitions, totaling 72 observations. Parameters of displacement speed, gliding, force on traction bar, peak force, power on pulling bar and fuel consumption were evaluated. It was possible to conclude that force on traction bar was less for depths of 0.11 and 0.14 m of fertilizer plough shank, the same occurring for peak force, power on traction bar and volumetric consumption. The specific consumption was lower at a depth of 0.17 m of fertilizer plough shank. Covering cultures and their handlings did not interfere in the performance of machines under inquiry.

Topochemistry of physical and chemical pretreatments of biomass as investigated by FE-SEM, XPS and ToF-SIMS

Surface chemistry is of great importance in plant biomass engineering and applications. The surface chemical composition of biomass which includes lignin, carbohydrates and extractives influences its interactions with chemical agents, such as pulp processing/papermaking chemicals, or enzymes for different purposes. In this thesis, the changes in the surface chemical composition of lignocellulosic biomass after physical modification for the improvement of resulting paper properties and chemical treatment for the enhancement of enzymatic hydrolysis were investigated. Low consistency (LC) refining was used as physical treatment of bleached softwood and hardwood pulp samples, and the surface chemistry of refined samples was investigated. The refined pulp was analysed as whole pulp while the fines-free fibre samples were characterized separately. The fines produced in LCrefining contributed to an enlarged surface specific area as well as the change of surface coverage by lignin and extractives, as investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The surface coverage by lignin of the whole pulp decreased after refining while the surface coverage by extractives increased both for pine and eucalyptus. In the case of pine, the removal of fines resulted in reduction of the surface coverage by extractives, while the surface coverage by lignin increased on fibre sample (without fines). In the case of eucalyptus, the surface coverage by lignin of fibre samples decreased after the removal of fines. In addition, the surface distribution of carbohydrates, lignin and extractives of pine and eucalyptus samples was determined by Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS). LC-refining increased the amounts of pentose, hexose and extractives on the surface of pine samples. ToF-SIMS also gave clear evidence about xylan deposition and reduction of surface lignin distribution on the fibre of eucalyptus. However, the changes in the surface chemical composition during the physical treatment has led to an increase in the adsorption of fluorescent whitening agents (FWAs) on fibres due to a combination of electro-static forces, specific surface area of fibres and hydrophobic interactions. Various physicochemical pretreatments were conducted on wood and non-wood biomass for enhancing enzymatic hydrolysis of polysaccharides, and the surface chemistry of the pretreated and enzymatically hydrolysed samples was investigated by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), XPS and ToF-SIMS. A hydrotrope was used as a relatively novel pretreatment technology both in the case of wood and non-wood biomass. For comparison, ionic liquid and hydrothermal pretreatments were applied on softwood and hardwood as well. Thus, XPS analysis showed that the surface lignin was more efficiently removed by hydrotropic pretreatment compared to ionic liquid or hydrothermal pretreatments. SEM analysis also found that already at room temperature the ionic liquid pretreatments were more effective in swelling the fibres compared with hydrotropic pretreatment at elevated temperatures. The enzymatic hydrolysis yield of hardwood was enhanced due to the decrease in surface coverage of lignin, which was induced by hydrotropic treatment. However, hydrotropic pretreatment was not appropriate for softwood because of the predominance of guaiacyl lignin structure in this material. In addition, the reduction of surface lignin and xylan during pretreatment and subsequent increase in cellulose hydrolysis by enzyme could be observed from ToF-SIMS results. The characterisation of the non-wood biomass (e.g. sugarcane bagasse and common reed) treated by hydrotropic method, alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatments were carried out by XPS and ToF-SIMS. According to the results, the action for the removal of the surface lignin of non-wood biomass by hydrotropic pretreatment was more significant compared to alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatments, although a higher total amount of lignin could be removed by alkaline and alkaline hydrogen peroxide pretreatment. Furthermore, xylan could be remarkably more efficiently removed by hydrotropic method. Therefore, the glucan yield achieved from hydrotropic treated sample was higher than that from samples treated with alkaline or alkaline hydrogen peroxide. Through the use of ToF-SIMS, the distribution and localization of lignin and carbohydrates on the surface of ignocelluloses during pretreatment and enzymatic hydrolysis could be detected, and xylan degradation during enzymatic hydrolysis could also be assessed. Thus, based on the results from XPS and ToF-SIMS, the mechanism of the hydrotropic pretreatment in improving the accessibility of enzymes to fibre and further ameliorating of the enzymatic saccharification could be better elucidated.

Application of cerium oxide thin films grown by atomic layer deposition for soot removal

The objective of the thesis is to study cerium oxide thin films grown by the atomic layer deposition (ALD) for soot removal. Cerium oxide is one of the most important heterogeneous catalysts and can be used in particulate filters and sensors in a diesel exhaust pipe. Its redox/oxidation properties are a key factor in soot oxidation. Thus, the cerium oxide coating can help to keep particulate filters and sensors clean permanently. The literature part of the thesis focuses on the soot removal, introducing the origin and structure of soot, reviewing emissions standards for diesel particulate matter, and presenting methods and catalysts for soot removal. In the experimental part the optimal ALD conditions for cerium oxide were found, the structural properties of cerium oxide thin films were analyzed, and the catalytic activity of the cerium oxide for soot oxidation was investigated. Studying ALD growth conditions of cerium oxide films and determining their critical thickness range are important to maximize the catalytic performance operating at comparatively low temperature. It was found that the cerium oxide film deposited at 300 °C with 2000 ALD cycles had the highest catalytic activity. Although the activity was still moderate and did not decrease the soot oxidation temperature enough for a real-life application. The cerium oxide thin film deposited at 300 °C has a different crystal structure, surface morphology and elemental composition with a higher Ce3+ concentration compared to the films deposited at lower temperatures. The different properties of the cerium oxide thin film deposited at 300 °C increase the catalytic activity most likely due to higher surface area and addition of the oxygen vacancies.

Transformation of carbon dioxide to diethyl carbonate over ceria and ceria-supported catalysts

Carbon dioxide is regarded, nowadays, as a primary anthropogenic greenhouse gas leading to global warming. Hence, chemical fixation of CO2 has attracted much attention as a possible way to manufacture useful chemicals. One of the most interesting approaches of CO2 transformations is the synthesis of organic carbonates. Since conventional production technologies of these compounds involve poisonous phosgene and carbon monoxide, there is a need to develop novel synthetic methods that would better match the principles of "Green Chemistry" towards protection of the environment and human health. Over the years, synthesis of dimethyl carbonate was under intensive investigation in the academia and industry. Therefore, this study was entirely directed towards equally important homologue of carbonic esters family namely diethyl carbonate (DEC). Novel synthesis method of DEC starting from ethanol and CO2 over heterogeneous catalysts based on ceria (CeO2) was studied in the batch reactor. However, the plausible drawback of the reaction is thermodynamic limitations. The calculated values revealed that the reaction is exothermic (ΔrHØ298K = ─ 16.6 J/ ) and does not occur spontaneously at rooms temperature (ΔrGØ 298K = 35.85 kJ/mol). Moreover, co-produced water easily shifts the reaction equilibrium towards reactants excluding achievement of high yields of the carbonate. Therefore, in-situ dehydration has been applied using butylene oxide as a chemical water trap. A 9-fold enhancement in the amount of DEC was observed upon introduction of butylene oxide to the reaction media in comparison to the synthetic method without any water removal. This result confirms that reaction equilibrium was shifted in favour of the desired product and thermodynamic boundaries of the reaction were suppressed by using butylene oxide as a water scavenger. In order to obtain insight into the reaction network, the kinetic experiments were performed over commercial cerium oxide. On the basis of the selectivity/conversion profile it could be concluded that the one-pot synthesis of diethyl carbonate from ethanol, CO2 and butylene oxide occurs via a consecutive route involving cyclic carbonate as an intermediate. Since commercial cerium oxide suffers from the deactivation problems already after first reaction cycle, in-house CeO2 was prepared applying room temperature precipitation technique. Variation of the synthesis parameters such as synthesis time, calcination temperature and pH of the reaction solution turned to have considerable influence on the physico-chemical and catalytic properties of CeO2. The increase of the synthesis time resulted in high specific surface area of cerium oxide and catalyst prepared within 50 h exhibited the highest amount of basic sites on its surface. Furthermore, synthesis under pH 11 yielded cerium oxide with the highest specific surface area, 139 m2/g, among all prepared catalysts. Moreover, CeO2─pH11 catalyst demonstrated the best catalytic activity and 2 mmol of DEC was produced at 180 oC and 9 MPa of the final reaction pressure. In addition, ceria-supported onto high specific surface area silicas MCM-41, SBA-15 and silica gel were synthesized and tested for the first time as catalysts in the synthesis of DEC. Deposition of cerium oxide on MCM-41 and SiO2 supports resulted in a substantial increase of the alkalinity of the carrier materials. Hexagonal SBA-15 modified with 20 wt % of ceria exhibited the second highest basicity in the series of supported catalysts. Evaluation of the catalytic activity of ceria-supported catalysts showed that reaction carried out over 20 wt % CeO2-SBA-15 generated the highest amount of DEC.

Droplet Deposition in the Last Stage of Steam Turbine

During the expansion of steam in turbine, the steam crosses the saturation line and hence subsequent turbine stages run under wet condition. The stages under wet condition run with low efficiency as compared to stages running with supersaturated steam and the life of the last stage cascade is reduced due to erosion. After the steam crosses the saturation line it does not condense immediately but instead it becomes supersaturated which is a meta-stable state and reversion of equilibrium results in the formation of large number of small droplets in the range of 0.05 - 1 μm. Although these droplets are small enough to follow the stream lines of vapor however some of the fog droplets are deposited on the blade surface. After deposition they coagulate into films and rivulets which are then drawn towards the trailing edge of the blade due to viscous drag of the steam. These large droplets in the range of radius 100 μm are accelerated by steam until they impact on the next blade row causing erosion. The two phenomenon responsible for deposition are inertial impaction and turbulent-diffusion. This work shall discuss the deposition mechanism in steam turbine in detail and numerically model and validate with practical data.

Fractionation, chemical and toxicological characterization of tobacco smoke components

La fumée du tabac est un aérosol extrêmement complexe constitué de milliers de composés répartis entre la phase particulaire et la phase vapeur. Il a été démontré que les effets toxicologiques de cette fumée sont associés aux composés appartenant aux deux phases. Plusieurs composés biologiquement actifs ont été identifiés dans la fumée du tabac; cependant, il n’y a pas d’études démontrant la relation entre les réponses biologiques obtenues via les tests in vitro ou in vivo et les composés présents dans la fumée entière du tabac. Le but de la présente recherche est de développer des méthodes fiables et robustes de fractionnement de la fumée à l’aide de techniques de séparation analytique et de techniques de détection combinés à des essais in vitro toxicologiques. Une étude antérieure réalisée par nos collaborateurs a démontré que, suite à l’étude des produits de combustion de douze principaux composés du tabac, l’acide chlorogénique s’est avéré être le composé le plus cytotoxique selon les test in vitro du micronoyau. Ainsi, dans cette étude, une méthode par chromatographie préparative en phase liquide a été développée dans le but de fractionner les produits de combustion de l’acide chlorogénique. Les fractions des produits de combustion de l’acide chlorogénique ont ensuite été testées et les composés responsables de la toxicité de l’acide chlorogénique ont été identifiés. Le composé de la sous-fraction responsable en majeure partie de la cytoxicité a été identifié comme étant le catéchol, lequel fut confirmé par chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse à temps de vol. Des études récentes ont démontré les effets toxicologiques de la fumée entière du tabac et l’implication spécifique de la phase vapeur. C’est pourquoi notre travail a ensuite été focalisé principalement à l’analyse de la fumée entière. La machine à fumer Borgwaldt RM20S® utilisée avec les chambres d’exposition cellulaire de British American Tobacco permettent l’étude in vitro de l’exposition de cellules à différentes concentrations de fumée entière du tabac. Les essais biologiques in vitro ont un degré élevé de variabilité, ainsi, il faut prendre en compte toutes les autres sources de variabilité pour évaluer avec précision la finalité toxicologique de ces essais; toutefois, la fiabilité de la génération de la fumée de la machine n’a jamais été évaluée jusqu’à maintenant. Nous avons donc déterminé la fiabilité de la génération et de la dilution (RSD entre 0,7 et 12 %) de la fumée en quantifiant la présence de deux gaz de référence (le CH4 par détection à ionisation de flamme et le CO par absorption infrarouge) et d’un composé de la phase particulaire, le solanesol (par chromatographie en phase liquide à haute performance). Ensuite, la relation entre la dose et la dilution des composés de la phase vapeur retrouvée dans la chambre d’exposition cellulaire a été caractérisée en utilisant une nouvelle technique d’extraction dite par HSSE (Headspace Stir Bar Sorptive Extraction) couplée à la chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse. La répétabilité de la méthode a donné une valeur de RSD se situant entre 10 et 13 % pour cinq des composés de référence identifiés dans la phase vapeur de la fumée de cigarette. La réponse offrant la surface maximale d’aire sous la courbe a été obtenue en utilisant les conditions expérimentales suivantes : intervalle de temps d’exposition/ désorption de 10 0.5 min, température de désorption de 200°C pour 2 min et température de concentration cryogénique (cryofocussing) de -75°C. La précision de la dilution de la fumée est linéaire et est fonction de l’abondance des analytes ainsi que de la concentration (RSD de 6,2 à 17,2 %) avec des quantités de 6 à 450 ng pour les composés de référence. Ces résultats démontrent que la machine à fumer Borgwaldt RM20S® est un outil fiable pour générer et acheminer de façon répétitive et linéaire la fumée de cigarette aux cultures cellulaires in vitro. Notre approche consiste en l’élaboration d’une méthodologie permettant de travailler avec un composé unique du tabac, pouvant être appliqué à des échantillons plus complexes par la suite ; ex : la phase vapeur de la fumée de cigarette. La méthodologie ainsi développée peut potentiellement servir de méthode de standardisation pour l’évaluation d’instruments ou de l’identification de produits dans l’industrie de tabac.

POCN-type Pincer Complexes of NiII and NiIII : synthesis, reactivities, catalytic activities and physical properties

Cette thèse décrit la synthèse, la caractérisation, les réactivités, et les propriétés physiques de complexes divalents et trivalents de Ni formés à partir de nouveaux ligands «pincer» de type POCN. Les ligands POCN de type amine sont préparés d’une façon simple et efficace via l’amination réductrice de 3-hydroxybenzaldéhyde avec NaBH4 et plusieurs amines, suivie par la phosphination de l’amino alcool résultant pour installer la fonction phosphinite (OPR2); le ligand POCN de type imine 1,3-(i-Pr)2PC6H4C(H)=N(CH2Ph) est préparé de façon similaire en faisant usage de PhCH2NH2 en l’absence de NaBH4. La réaction de ces ligands «pincer» de type POCN avec NiBr2(CH3CN)x en présence d’une base résulte en un bon rendement de la cyclométalation du lien C-H situé en ortho aux fonctions amine et phosphinite. Il fut découvert que la base est essentielle pour la propreté et le haut rendement de la formation des complexes «pincer» désirés. Nous avons préparé des complexes «pincer» plan- carrés de type POCN, (POCNRR΄)NiBr, possédant des fonctions amines secondaires et tertiaires qui démontrent des réactivités différentes selon les substituants R et R΄. Par exemple, les complexes possédant des fonctions amines tertiaires ArCH2NR2 (NR2= NMe2, NEt2, and morpholinyl) démontrent des propriétés rédox intéressantes et pourraient être convertis en leurs analogues trivalents (POCNR2)NiBr2 lorsque réagis avec Br2 ou N-bromosuccinimide (NBS). Les complexes trivalents paramagnétiques à 17 électrons adoptent une géométrie de type plan-carré déformée, les atomes de Br occupant les positions axiale et équatoriale. Les analyses «DSC» et «TGA» des ces composés ont démontré qu’ils sont thermiquement stables jusqu’à ~170 °C; tandis que la spectroscopie d’absorption en solution a démontré qu’ils se décomposent thermiquement à beaucoup plus basse température pour regénérer les complexes divalents ne possédant qu’un seul Br; l’encombrement stérique des substitutants amines accélère cette route de décomposition de façon significative. Les analogues NMe2 et N(morpholinyl) de ces espèces de NiIII sont actifs pour catalyser la réaction d’addition de Kharasch, de CX4 à des oléfines telles que le styrène, tandis qu’il fut découvert que l’analogue le moins thermiquement stable (POCNEt2)Ni est complètement inerte pour catalyser cette réaction. Les complexes (POCNRH)NiBr possédant des fonctions amines secondaires permettent l’accès à des fonctions amines substituées de façon non symétrique via leur réaction avec des halogénures d’alkyle. Un autre avantage important de ces complexes réside dans la possibilité de déprotonation pour préparer des complexes POCN de type amide. De telles tentatives pour déprotoner les fonctions NRH nous ont permis de préparer des espèces dimériques possédant des ligands amides pontants. La nature dimérique des ces complexes [P,C,N,N-(2,6-(i-Pr)2PC6H3CH2NR)Ni]2 (R= PhCH2 et Ph) fut établie par des études de diffraction des rayons-X qui ont démontré différentes géométries pour les cœurs Ni2N2 selon le substituant N : l’analogue (PhCH2)N possède une orientation syn des substitutants benzyles et un arrangement ressemblant à celui du cyclobutane du Ni et des atomes d’azote, tandis que l’analogue PhN adopte un arrangement de type diamant quasi-planaire des atomes du Ni et des atomes d’azote et une orientation anti des substituants phényles. Les espèces dimériques ne se dissocient pas en présence d’alcools, mais elles promouvoient l’alcoolyse catalytique de l’acrylonitrile. De façon intéressante, les rendements de ces réactions sont plus élevés avec les alcools possédant des fonctions O-H plus acides, avec un nombre de «turnover» catalytique pouvant atteindre 2000 dans le cas de m-cresol. Nous croyons que ces réactions d’alcoolyse procèdent par activation hétérolytique de l’alcool par l’espèce dimérique via des liaisons hydrogènes avec une ou deux des fonctions amides du dimère. Les espèces dimériques de Ni (II) s’oxydent facilement électrochimiquement et par reaction avec NBS ou Br2. De façon surprenante, l’oxydation chimique mène à l’isolation de nouveaux produits monomériques dans lesquels le centre métallique et le ligand sont oxydés. Le mécanisme d’oxydation fut aussi investigué par RMN, «UV-vis-NIR», «DFT» et spectroélectrochimie.

Développement de nouveaux sels Binol-imidazoliums : de la catalyse asymétrique aux applications biologiques

Le 1,1'-bi-2-naphtol ou Binol, présentant une chiralité axiale, est un ligand très utilisé en catalyse asymétrique. Au cours des vingt dernières années, le Binol a servi de synthon à l’élaboration de très nombreux ligands permettant la catalyse asymétrique de tous types de réactions, allant de l’hydrogénation, à l’alkylation, en passant par diverses réactions péricycliques. Le grand intérêt pour ce ligand vient de sa versatilité et des nombreuses possibilités de fonctionnalisation qu’il offre, permettant d’altérer ses propriétés catalytiques à volonté, aussi bien en modifiant son caractère électronique, qu’en introduisant des facteurs stériques autour du site catalytique. Parallèlement aux développements de la catalyse par des dérivés de Binol, le domaine des liquides ioniques a connu un intérêt croissant ces dernières années. Les liquides ioniques, sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C, cumulent de nombreuses qualités convoitées : faible pression de vapeur, stabilité thermique et chimique et fort pouvoir de solvatation. Dû à ces propriétés, les liquides ioniques ont principalement été étudiés dans l’optique de développer une gamme de solvants recyclables. Alors que les propriétés des liquides ioniques sont facilement modulables en fonction de l’anion et du cation choisi, le concept de liquide ionique à tâche spécifique va plus loin et propose d’introduire directement, sur le cation ou l’anion, un groupement conférant une propriété particulière. En suivant cette approche, plusieurs ligands ioniques ont été rapportés, par simple couplage d’un cation organique à un ligand déjà connu. Étonnamment, le Binol a fait l’objet de très peu de travaux pour l’élaboration de ligands ioniques. Dans cette thèse, nous proposons l’étude d’une famille de composés de type Binol-imidazolium dont les unités Binol et imidazolium sont séparées par un espaceur méthylène. Différents homologues ont été synthétisés en variant le nombre d’unités imidazolium et leur position sur le noyau Binol, la longueur de la chaîne alkyle portée par les unités imidazolium et la nature du contre-anion. Après une étude des propriétés thermiques de ces composés, l’utilisation des Binol-imidazoliums en tant que ligands dans une réaction asymétrique d’éthylation d’aldéhydes aromatique a été étudiée en milieu liquide ionique. La réaction a été conduite en solvant liquide ionique dans le but de recycler aussi bien le ligand Binol-imidazolium que le solvant, en fin de réaction. Cette étude nous a permis de démontrer que la sélectivité de ces ligands ioniques dépend grandement de leur structure. En effet, seuls les Binols fonctionnalisés en positions 6 et 6’ permettent une sélectivité de la réaction d’éthylation. Alors que les dérivés de Binol fonctionnalisés en positions 3 et 3’ ne permettent pas une catalyse énantiosélective, il a déjà été rapporté que ces composés avaient la capacité de complexer des anions. D’autre part, il a déjà été rapporté par notre groupe, que les composés comportant des unités imidazolium pouvaient permettre le transport d’anions à travers des bicouches lipidiques en fonction de leur amphiphilie. Ceci nous a amenés à la deuxième partie de cette thèse qui porte sur les propriétés ionophores des Binols fonctionnalisés en positions 3 et 3’ par des unités imidazoliums. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de la relation structure-activité et au mécanisme de transport de ces composés. Le transport d’anions étant un processus clé dans la biologie cellulaire, l’activité biologique des composés présentant une activité ionophore dans des systèmes modèles (liposomes) a été étudiée par la suite. L’activité antibactérienne des nos composés a été testée sur quatre souches de bactéries. Il s’est avéré que les composés Binol-imidazolium sont actifs uniquement sur les bactéries Gram positives. Finalement, la cytotoxicité des composés présentant une activité antibactérienne a été étudiée sur des cellules humaines.

Sels d’imidazolium avec des anions catalytiques : vers le développement de nouveaux catalyseurs bio-hybrides actifs en milieu liquide ionique

Les liquides ioniques connaissent depuis quelques décennies un essor particulier en raison de leurs nombreuses propriétés physico-chimiques intéressantes, telles qu’une faible pression de vapeur saturante, une viscosité limitée, une faible miscibilité avec la plupart des solvants communs, ou encore des propriétés d’agencement supramoléculaire, qui en font des outils puissants dans de nombreux domaines de la chimie. Les sels d’imidazolium représentent la plus grande famille de liquides ioniques à ce jour. Leur modulabilité leur permet d’être dérivés pour de nombreuses applications spécifiques, notamment en synthèse organique, où ils sont utilisés majoritairement comme solvants, et plus récemment comme catalyseurs. Les travaux présentés dans cette thèse se concentrent sur leur utilisation en synthèse organique, à la fois comme solvants et principalement comme catalyseurs chiraux, catalyseurs pour lesquels l’anion du sel est l’espèce catalytique, permettant d’ajouter de la flexibilité et de la mobilité au système. En tirant parti de la tolérance des liquides ioniques envers la majorité des macromolécules naturelles, l’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse est le développement d’un nouveau type de catalyseur bio-hybride reposant sur l’encapsulation d’un sel d’imidazolium dans une protéine. Par le biais de la technologie biotine-avidine, l’inclusion supramoléculaire de sels d’imidazolium biotinylés portant des contre-anions catalytiques dans l’avidine a été réalisée et exploitée en catalyse. Dans un premier temps, le développement et l’étude de deux sels de 1-butyl-3-méthylimidazolium possédant des anions chiraux dérivés de la trans-4-hydroxy-L-proline sont rapportés, ainsi que leur comportement dans des réactions énantiosélectives d’aldol et d’addition de Michael. Ces types de composés se sont révélés actifs et performants en milieu liquide ionique. Dans un second temps, la préparation de sels d’imidazolium dont le cation est biotinylé et portant un contre-anion achiral, a été réalisée. Le comportement de l’avidine en milieu liquide ionique et son apport en termes de chiralité sur le système bio-hybride ont été étudiés. Les résultats montrent le rôle crucial des liquides ioniques sur la conformation de la protéine et l’efficacité du catalyseur pour des réactions d’aldol. Dans un dernier temps, l’influence de la structure du cation et de l’anion sur le système a été étudiée. Différents espaceurs ont été introduits successivement dans les squelettes cationiques et anioniques des sels d’imidazolium biotinylés. Dans le cas du cation, les résultats ne révèlent aucune influence majeure sur l’efficacité du catalyseur. La structure de l’anion se montre cependant beaucoup plus importante : la préparation de différents catalyseurs bio-hybrides possédant des anions aux propriétés physico-chimiques différentes a permis d’obtenir de plus amples informations sur le mode de fonctionnement du système bio-hybride et de la coopérativité entre l’avidine et l’anion du sel d’imidazolium.La nature ionique de la liaison cation-anion offrant une liberté de mouvement accrue à l’anion dans la protéine, la tolérance à différents substrats a également été abordée après optimisation du système.

Sol-Gel Nanocrystalline Catalytic Titania Powders and Functional Coatings

In the present work Titania bulk powders and coatings were prepared by subjecting titanium isopropoxide solution to a controlled hydrolysis-condensation process. The powders were characterized using techniques such as FTIR for their chemical interactions, TG-DTA for the thermal decomposition features, XRD for the phase assemblage, BET specific surface area analysis for the textural features. The study discusses the preparation methods and the characterization techniques employed and a detailed discussion on the physico-chemical characterization of the prepared systems. The influence of dopants and leaching on the physico-chemical properties as well as their influence on photo activity is also included. The structural/functional coatings of different Titania compositions includes in this study. Coatings on pre-treated glass surfaces with the best compositions prepared showed 90 % transmittance in the visible region.

Characterisation of Transparent Conducting Thin Films Grown by Pulsed Laser Deposition and RF Magnetron Sputtering

Materials exhibiting transparency and electrical conductivity simultaneously, transparent conductors, Transparent conducting oxides (TCOs), which have high transparency through the visible spectrum and high electrical conductivity are already being used in numerous applications. Low-emission windows that allow visible light through while reflecting the infrared, this keeps the heat out in summer, or the heat in, in winter. A thin conducting layer on or in between the glass panes achieves this. Low-emission windows use mostly F-doped SnO2. Most of these TCO’s are n type semiconductors and are utilized in a variety of commercial applications, such as flat-panel displays, photovoltaic devices, and electrochromic windows, in which they serve as transparent electrodes. Novel functions may be integrated into the materials since oxides have a variety of elements and crystal structures, providing great potential for realizing a diverse range of active functions. However, the application of TCOs has been restricted to transparent electrodes, notwithstanding the fact that TCOs are n-type semiconductors. The primary reason is the lack of p-type TCOs, because many of the active functions in semiconductors originate from the nature of the pn-junction. In 1997, H. Kawazoe et al.[2] reported CuAlO2 thin films as a first p-type TCO along with a chemical design concept for the exploration of other p-type TCOs.