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Disordered nanoporous carbons are the good materials for capturing pollutants, including traces in wastewater. The phenomenon of adsorption at the origin of the retention of molecules is complex. However, depending on a multitude of factors : structure, morphology and loading of the carbonaceous surface, on the one hand, size/shapeand polarity of the molecule, on the other hand, the whole being dependent on pH and concentration. For a better understanding of the phenomenon, it is important to be able to study some parameters separately. In order to study the phenomenon of adsorption in aqueous medium on nanoporous carbons with structure and model morphology, nanoporous slit structures of turbostratic carbon type were generated numerically in C ++ language with thecalculation of the radial distribution function or pairs. The gas adsorption of a nonpolar or polar molecule and then oftwo polar molecules (H2O/CO2) and (H2O/C6H6O) was simulated by Grand Canonical Monte Carlo method on this model support (adsorption isotherm, adsorption heat, density of adsorbed molecules) as a function of temperature.The runtime has been drastically reduced by developing parallel codes optimized under MPI C ++. The influence of the shape and the pore size distribution was demonstrated by simulating the adsorption on the structure of an activated carbon already obtained by 3D reconstruction of the RMC type. Finally, from an experimental point of view, the intercalation of tetraalkylammonium ions electrochemically in slit carbons (HOPG and graphite) was explored in order to obtain nanoporous lamellar carbons ( ≈1 nm). The structure was characterized by X-ray diffraction.; Les carbones désordonnés nanoporeux sont des supports efficaces pour le piégeage de polluants y compris à l’état de traces dans les eaux usées. Le phénomène d’adsorption à l’origine de la rétention des molécules est cependant complexe car dépendant d’une multitude de facteurs : structure, morphologie et charge de la surface carbonée d’une part,taille/forme et polarité de la molécule d’autre part, l’ensemble étant dépendant du pH et de la concentration. Pourune meilleure compréhension du phénomène, il est important de pouvoir étudier séparément certains paramètres.Dans la perspective d’étudier le phénomène d’adsorption en milieu aqueux sur des carbones nanoporeux à structure et morphologie modèle, des structures lamellaires nanoporeuses de type carbone turbostratique ont été générées numériquement en langage C++ avec le calcul de la fonction de distribution radiale ou de paires. L’adsorption gazeuse d’une molécule non polaire ou polaire puis de deux molécules polaires (H2O/CO2) et (H2O/C6H6O)a été simulée par la méthode Grand Canonique Monte Carlo sur ce support modèle (Isotherme d’adsorption,chaleur d’adsorption, densité des molécules adsorbées) en fonction de la température. Les temps de calcul ont été drastiquement diminués en développant des codes parallèles optimisés sous MPI C++. L’influence de la forme etde la distribution en taille des pores a été mise en évidence en simulant l’adsorption sur la structure d’un carbone activé déjà obtenue par reconstruction 3D de type RMC. Enfin, d’un point de vue expérimental, l’intercalation d’ions tetraalkylammonium par voie électrochimique dans des carbones lamellaires (HOPG et graphite) a été explorée en vue d’obtenir des carbones lamellaires nanoporeux (≈1 nm). La structure a été caractérisée par diffraction des rayons X.

Disordered nanoporous carbons are the good materials for capturing pollutants, including traces in wastewater. The phenomenon of adsorption at the origin of the retention of molecules is complex. However, depending on a multitude of factors : structure, morphology and loading of the carbonaceous surface, on the one hand, size/shapeand polarity of the molecule, on the other hand, the whole being dependent on pH and concentration. For a better understanding of the phenomenon, it is important to be able to study some parameters separately. In order to study the phenomenon of adsorption in aqueous medium on nanoporous carbons with structure and model morphology, nanoporous slit structures of turbostratic carbon type were generated numerically in C ++ language with thecalculation of the radial distribution function or pairs. The gas adsorption of a nonpolar or polar molecule and then oftwo polar molecules (H2O/CO2) and (H2O/C6H6O) was simulated by Grand Canonical Monte Carlo method on this model support (adsorption isotherm, adsorption heat, density of adsorbed molecules) as a function of temperature.The runtime has been drastically reduced by developing parallel codes optimized under MPI C ++. The influence of the shape and the pore size distribution was demonstrated by simulating the adsorption on the structure of an activated carbon already obtained by 3D reconstruction of the RMC type. Finally, from an experimental point of view, the intercalation of tetraalkylammonium ions electrochemically in slit carbons (HOPG and graphite) was explored in order to obtain nanoporous lamellar carbons ( ≈1 nm). The structure was characterized by X-ray diffraction., Les carbones désordonnés nanoporeux sont des supports efficaces pour le piégeage de polluants y compris à l’état de traces dans les eaux usées. Le phénomène d’adsorption à l’origine de la rétention des molécules est cependant complexe car dépendant d’une multitude de facteurs : structure, morphologie et charge de la surface carbonée d’une part,taille/forme et polarité de la molécule d’autre part, l’ensemble étant dépendant du pH et de la concentration. Pourune meilleure compréhension du phénomène, il est important de pouvoir étudier séparément certains paramètres.Dans la perspective d’étudier le phénomène d’adsorption en milieu aqueux sur des carbones nanoporeux à structure et morphologie modèle, des structures lamellaires nanoporeuses de type carbone turbostratique ont été générées numériquement en langage C++ avec le calcul de la fonction de distribution radiale ou de paires. L’adsorption gazeuse d’une molécule non polaire ou polaire puis de deux molécules polaires (H2O/CO2) et (H2O/C6H6O)a été simulée par la méthode Grand Canonique Monte Carlo sur ce support modèle (Isotherme d’adsorption,chaleur d’adsorption, densité des molécules adsorbées) en fonction de la température. Les temps de calcul ont été drastiquement diminués en développant des codes parallèles optimisés sous MPI C++. L’influence de la forme etde la distribution en taille des pores a été mise en évidence en simulant l’adsorption sur la structure d’un carbone activé déjà obtenue par reconstruction 3D de type RMC. Enfin, d’un point de vue expérimental, l’intercalation d’ions tetraalkylammonium par voie électrochimique dans des carbones lamellaires (HOPG et graphite) a été explorée en vue d’obtenir des carbones lamellaires nanoporeux (≈1 nm). La structure a été caractérisée par diffraction des rayons X.

M. Marc BERNHEIM ; M. Andrei BORISOV ; M. Bernard BOURGUIGNON ; M. Jean-Pierre GAUYACQ Directeur de thèse ; M. Nicolas LORENTE Rapporteur ; Mme Françoise MASNOU-SEEUWS Président ; M. Christophe RAMSEYER Rapporteur ;; The present work adresses a theoretical and numerical study of the resonant charge transfer (RCT) process during a collision between an atom (ion) and a metal surface. The RCT corresponds to a passage of an electron from the atom to the metal without an energy change. We study the RCT in the systems with several localised states. These states can be localised on the projectile only, or on the projectile and on the impurity at the surface. Special attention is paid to the transitions induced by the projectile motion between different states of the system. The Wave Packet Propagation Method, which consists in numerical on the grid solution of the timedependent Schrödinger equation, is used in this work. In the first part of this work, we study the local perturbation of the RCT between the projectile (H- ion) and the metal surface (Al or Cu(111)), induced by the presence on an alkali adsorbate (Li or Cs). Special attention is paid to the 3-body character of the RCT (the electron interaction with the projectile, the adsorbate and the substrate). The results for Cu(111), which has a projected band gap in the direction normal to the surface, are very different from the results for Al, which is a prototype for free-electron metal. In the second part of this work, we study the RCT between the Rydberg atoms (Xe) and a metal surface, in an external electric field. The collision-induced transitions between different states of the projectile affect the RCT. Our results allow understanding of recent experimental results by the group of F.B. Dunning, Houston, USA. The present work shows the importance of an explicit study of the dynamics of RCT in course of collision between an atom (ion) and a metal surface for the understanding of atom (ion) - surface interaction.; Ce travail de thèse est une étude théorique et numérique du processus de transfert de charge résonnant(TCR), entre un atome (ion) et une surface métallique pendant une collision. Le TCR correspond au passage d'un électron de l'atome vers le métal, sans changer d'énergie. On étudie le TCR dans des systèmes à plusieurs états électroniques. Ces états peuvent être localisés sur un projectile, ou sur un projectile et sur une impureté de la surface. Une attention particulière est portée aux transitions induites entre différents états du système par le mouvement du projectile. La Méthode de Propagation de Paquets d'Ondes, qui consiste en une solution directe sur une grille de l'équation de Schrödinger dépendant du temps, est utilisée dans ce travail. Dans la première partie de la thèse, on étudie les perturbations locales du TCR entre le projectile (un ion H-) et la surface métallique (Al ou Cu(111)), induits par la présence d'un adsorbat alcalin (Li ou Cs). Un intérêt particulier est porté au caractère 3-corps du TCR (l'électron interagit avec le projectile, l'adsorbat et le substrat). Les résultats pour Cu(111), qui possède une bande interdite projetée dans la direction normale à la surface, sont très différents des résultats pour Al, qui est un prototype du métal à électrons libres. Dans la deuxième partie de la thèse, on étudie le TCR entre des atomes de Rydberg (Xe) et une surface métallique, dans un champ électrique extérieur. Les transitions induites par la collision avec la surface entre les différents états de projectile influencent le TCR. Ces résultats permettent d'expliquer les résultats expérimentaux récents du groupe de F.B. Dunning, Houston, USA. Ce travail de thèse montre l'importance d'une étude explicite de la dynamique de TCR entre un atome (ion) et une surface métallique pour la compréhension des interactions atome (ion) - surface.