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Doctorat - Matériaux bio-inspirés basés sur des nanocomposites polymère/oxydes métalliques pour l'oxydation électrocatalytique de l'eau en dioxygène. (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : vendredi 7 octobre 2022

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Informations générales

Référence : UMR5250-JERFOR-003
Lieu de travail : GRENOBLE
Date de publication : vendredi 16 septembre 2022
Nom du responsable scientifique : Marie-Noëlle Collomb
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

L'oxydation de l'eau en dioxygène (OER) demeure la réaction limitante pour le développement de dispositifs de dissociation de l'eau et de réduction du CO2, en raison d'une cinétique lente et d'une surtension élevée. Les principaux défis sont le développement de catalyseurs d'OER efficaces, robustes et bon marché, abondants sur terre, ainsi que leur nanostructuration, l'efficacité étant significativement améliorée par l'augmentation du ratio surface active/volume, tout en réduisant le coût de fabrication. Les catalyseurs inorganiques à base d'oxydes métalliques MOx sont les catalyseurs d'oxydation de l'eau les plus prometteurs en termes d'efficacité et de stabilité. Les recherches actuelles se concentrent sur le développement d'oxydes basés sur des métaux abondants (Co, Ni, Fe, Mn et Cu), moins coûteux que les oxydes d'Ir et de Ru, ainsi que sur leur nanostructuration.
Dans ce contexte, l'objectif de ce projet de recherche est de concevoir de nouveaux matériaux d'électrodes nanocomposites, actifs et stables pour l'oxydation de l'eau, inspirés du Photosystème II (PSII). Ces matériaux seront constitués d'oxydes métalliques MOx ou d'oxydes métalliques mixtes M(M')Ox (M, M' = Ni, Co, Mn, Fe, Cu...) de taille (sub)nanométrique électrogénérés et bien dispersés dans une matrice polymère substituée par des fonctions anioniques. Ils vont mimer l'environnement riche en carboxylates du cluster naturel Mn4CaO5 du PSII et sa structure sub-nanométrique, deux caractéristiques essentielles pour une excellente efficacité catalytique. Ils seront élaborés à la surface d'une électrode par une méthode électrochimique simple et versatile bien maîtrisée dans notre équipe. Le polymère va avoir un effet bénéfique sur la stabilité des matériaux en apportant un confinement stérique et une protection des nanoparticules des phénomènes d'agrégation et de corrosion au cours de l'électrocatalyse. La méthodologie consistera en l'élaboration des nanocomposites, l'évaluation des performances électrocatalytiques pour l'OER et des mécanismes associés ainsi que l'évaluation de la stabilité des nanocomposites lors d'électrolyses de longues durées. Les matériaux nanocomposites seront également physiquement caractérisés par plusieurs méthodes complémentaires afin d'évaluer leur morphologie, leur composition chimique, d'estimer la taille des particules d'oxydes métalliques et leur dispersion au sein du polymère. Certaines caractérisations seront également effectuées après électrolyses afin d'évaluer leur stabilité globale.

Contexte de travail

Ce travail de recherche est financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR), projet OERNanoCat, et sera réalisé au Département de Chimie Moléculaire (DCM) de l'Université Grenoble Alpes (UGA) au sein de l'équipe Electrochimie Moléculaire et Photochimie Redox (EMPRe). Ce projet s'appuie sur les travaux récents de l'équipe sur l'élaboration de matériaux nanocomposites pour l'oxydation de l'eau (Sustainable Energy Fuels, 2021, 5, 4710-4723. DOI : /10.1039/D1SE00363A et Catal. Sci. Technol., 2018, 8(16) 4030-4043. DOI : 10.1039/C7CY01949A).
Le DCM est une unité mixte CNRS/UGA (UMR 5250) mobilisant près de 80 chercheurs/enseignants permanents/ITA/IATOSS et autant de doctorants, post-doctorants et masters. Elle est structurée en 6 équipes de recherche, chacune ayant une thématique scientifique. L'équipe EMPRe possède une grande expertise en électrochimie moléculaire et en photochimie redox. Ces activités de recherche se concentrent principalement sur l'activation de petites molécules (oxydation de H2O en O2 (OER), réduction en H2 (HER), réduction du CO2) par électro-catalyse et photo-catalyse en utilisant des catalyseurs moléculaires et inorganiques et des photosensibilisateurs.
L'équipe EMPRe dispose de tous les équipements nécessaires aux expériences d'électrochimie et d'électrocatalyse ainsi qu'à la quantification du dégagement d'oxygène (GC-MS). La caractérisation des matériaux nanocomposites sera réalisée via les équipements et plateformes des laboratoires du campus de Grenoble notamment à l'Institut de Chimie Moléculaire-ICMG (AFM, TEM), ISTerre (ICP-AES) et CMTC INP (SEM-EDX).
Le projet ANR OERNanoCat implique une collaboration avec Benedikt Lassalle au Synchroton Soleil (Paris) pour la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) dans des conditions in situ et in operando afin de comprendre et contrôler la formation et l'activité OER des matériaux nanocomposites.
Le doctorant travaillera sous la supervision du Dr Marie-Noëlle Collomb (DR1 CNRS) et de Jérôme Fortage (CRCN CNRS).

Contraintes et risques

Le(la) candidat(e) devra manipuler des solutions aqueuses ou organiques contenant des produits chimiques de faible toxicité.

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