H/F: Thèse sur la "Modélisation ab initio de la réduction électrochimique de N₂ en ammoniac pour la conversion et le stockage d'énergie"

Description du Poste

Sujet De Thèse

Comprendre les interactions complexes entre réactifs, électrolytes et électrocatalyseurs dans le domaine de l’électrocatalyse est d’une importance capitale pour orienter la société vers des procédés plus efficaces sur le plan énergétique et respectueux de l’environnement, en s’éloignant des énergies fossiles. Pourtant, les mécanismes précis par lesquels les électrocatalyseurs fonctionnent au niveau atomique restent mal élucidés, en particulier lorsqu’il s’agit de molécules réactives faiblement actives.

La réduction de l’azote en ammoniac (NH₃) émerge comme un acteur clé dans le paysage énergétique de demain, grâce à sa capacité à générer directement de l’énergie et à se décomposer en dihydrogène. Notamment, l’ammoniac liquéfié présente une teneur en hydrogène 50 % plus élevée en volume que l’hydrogène liquide (H₂), offrant des avantages majeurs en termes de stockage, de transport et de manipulation. Par ailleurs, l’ammoniac joue un rôle crucial dans la production mondiale de nourriture en tant que composant essentiel des engrais. En tant que source riche en azote, il améliore la fertilité des sols, favorisant une croissance végétale robuste et des rendements agricoles accrus. Cette ressource vitale est indispensable pour soutenir l’agriculture mondiale et garantir une production alimentaire abondante et diversifiée, répondant aux besoins nutritionnels de la population mondiale. Cependant, pour que le NH₃ puisse remplir son rôle de vecteur énergétique vert et principale source d’engrais, sa production industrielle doit éviter la consommation d’H₂ et l’émission de CO₂.

Une approche alternative consiste en la réduction électrochimique directe de l’azote (e-NRR) pour produire de l’ammoniac :
N₂ + 6H⁺ + 6e⁻ → 2NH₃.
Cependant, atteindre un équilibre délicat entre activité (densité de courant élevée) et sélectivité (prévention de la recombinaison des protons en H₂ par la réaction de réduction de l’hydrogène, HER : 2H⁺ + 2e⁻ → H₂) s’avère difficile, car les potentiels redox standard de l’e-NRR et de l’HER sont très proches (E°(N₂/NH₃) = 0,06 V vs. RHE, E°(H⁺/H₂) = 0 V vs. RHE, où RHE désigne l’électrode réversible à hydrogène).

Ce projet vise à développer des méthodologies théoriques pour éclaircir les mécanismes complexes de fonctionnement des électrocatalyseurs lors de la conversion électrochimique de l’azote atmosphérique (N₂) en ammoniac de haute valeur. Nous étudierons particulièrement comment la position du site actif à l’interface électrode-électrolyte (en dehors de la double couche, à l’intérieur de la double couche ou directement sur l’électrode) influence de manière significative les fonctions électrocatalytiques et détermine les relations structure-activité des interfaces électrochimiques à base de catalyseurs moléculaires (phtalocyanines métalliques). L’objectif est de comprendre précisément les mécanismes atomiques par lesquels les électrocatalyseurs opèrent, en particulier lorsqu’ils interagissent avec des molécules faiblement réactives.

Le·a doctorant·e sélectionné·e sera formé·e aux approches avancées de modélisation quantique, incluant :

Les effets de l’environnement électrochimique (solvant et température),
La modélisation spectroscopique ab initio,
et appliquera ces méthodes aux électrocatalyseurs utilisés pour étudier la réduction de l’azote (NRR) et, plus généralement, les matériaux énergétiques.

Ce doctorat fournira toutes les compétences nécessaires pour entamer une carrière académique ou industrielle dans le domaine de la modélisation des matériaux énergétiques. Le·a doctorant·e rejoindra le consortium français ANR Confront et bénéficiera de collaborations étroites avec des partenaires expérimentaux pour relier les résultats théoriques aux expériences.

Votre Environnement de Travail

Le Département Chimie Physique Théorique & Modélisation de l'ICGM concentre des compétences méthodologiques et applicatives variées en chimie quantique, dynamique quantique non-adiabatique et dynamique moléculaire classique et ab initio. Son cœur de métier est d’exploiter/améliorer les modèles fondamentaux et les méthodes modernes de la chimie théorique dans le but de mieux décrire les relations entre structure et propriétés physico-chimiques pour des architectures complexes allant des édifices moléculaires aux solides périodiques en passant par les nanoparticules et les interfaces.

Contraintes et risques

Laboratoire Zone à Régime Restrictif

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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