Une forte augmentation de la demande en énergie et technologie à l’échelle mondiale en raison de la croissance exponentielle de la population est un scénario inévitable. Avec une utilisation extensive des combustibles fossiles et l’industrialisation pour développer ces secteurs, les humains ont causé des effets néfastes sur l’environnement, y compris le réchauffement climatique. En conséquence, les conditions climatiques mondiales ont été modifiées, ce qui se manifeste par l’augmentation annuelle de la température et la réduction de l’espace terrestre en raison de l’élévation du niveau de la mer causée par la fonte des glaces polaires. Elles sont également les principales responsables de l’extinction de certaines espèces vivantes à la fois sur le continent et en milieu aquatique.
Dans de nombreuses grandes villes, la pollution de l’air et des plans d’eau sont extrêmes et commencent à devenir inhabitables. L’industrialisation et la consommation abusives de ces ressources non renouvelables ont entrainé l’épuisement des combustibles fossiles. De ce fait, il est primordial de trouver des énergies alternatives propres et renouvelables. Ainsi, de nombreuses recherches se concentrent sur le développement de matériaux avancés pour répondre à la demande en énergie.
Les polymères de coordination jouent un rôle clé dans le domaine de l’énergie en raison de la polyvalence des précurseurs disponibles, qui comprend des espèces organiques et inorganiques formant des matériaux hybrides avec diverses propriétés. Une large gamme de matériaux hybrides a été développée dont les propriétés peuvent être modifiées en variant les fragments organiques et inorganiques. Ainsi, la conception de ces fragments (organiques et inorganiques) constituant le matériau influence grandement son architecture et ses propriétés. Les espèces inorganiques comprennent les ions métalliques ou les clusters formant les connecteurs entre les ligands organiques, ce qui contribuent également aux propriétés des matériaux. Ainsi, une sélection judicieuse des composantes métalliques et organiques sont nécessaires pour les diverses applications. Plus importants encore, ces polymères peuvent avoir des organisations prévisibles en fonction des précurseurs ce qui permet de moduler l’architecture de ces matériaux.
Une des préoccupations majeures dans la conception des polymères de coordination sous l’angle de la théorie de l’attachement est la stabilité thermique et chimique de ces matériaux. Ainsi, nous proposons dans cette thèse d’utiliser des systèmes aromatiques rigides, planaires, polyconjuguées, riches en azote comme ligands organiques. Pour explorer cette stratégie, nous avons conceptualisé des composés organiques avec des fonctionnalités à base de pyridonyle qui incluent le cyamelurate fusionné à trois cycles. En raison de la polyvalence du nombre de modes de coordination, de la similitude avec le groupement carboxylique (-COOH) et afin de résoudre les problèmes liés aux polymères de coordination une série de ligands ditopiques et tritopiques basés sur la pyridone et de ces dérivés ont été conceptualisés au cours de cette thèse pour développer des matériaux innovants. Ces composés organiques présentent la capacité de former des liaisons de coordination avec les espèces métalliques ou de s’auto-assembler par liaison hydrogène pour générer des structures variées. Pour les réseaux de coordination, nous avons choisi d’utiliser les métaux de transition et les lanthanides, car ils présentent les caractéristiques suivantes (i) géométrie de coordination prédictible (ii) nombre important de liens de coordination et (iii) nombreuses propriétés intéressantes (rédox, catalytique, luminescence, chromisme etc.).
Dans cette thèse, les activités de recherches seront orientées vers 1) le développement de nouvelles séries de ligands organiques à base de pyridonyle avec de multiples sites de coordination et l’étude de leur auto-assemblage, 2) la conception rationnelle et la synthèse de nouveaux polymères de coordination à base de pyridone et de métaux de transition avec des propriétés chromiques pour les applications de détection, 3) la synthèse de nouveaux réseaux de coordination (Metal-Organic Frameworks = MOFs) utilisant des ligands organiques à base de pyridone, 4) la conception rationnelle des MOFs avec des lanthanides et riche en azote par l’utilisation du cyamelurate (ligand riche en azote) pour la séparation sélective de gaz.
Thèse de doctorat en sciences de l’énergie et des matériaux soutenue le 2 novembre 2020.
Membres du jury
M. Adam Duong, directeur de recherche
Professeur, Université du Québec à Trois-Rivières
M. François Brouillette, président du jury
Professeur, Université du Québec à Trois-Rivières
M. Daniel Montplaisir, évaluateur
Professeur, Université du Québec à Trois-Rivières
M. Almir Oliveira Neto, évaluateur externe
Professeur, Université de Sao Paulo, Brésil
