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Membranes hybrides multi-stabilisées pour piles à combustible et électrolyseur (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR5265-VERDUF-001
Lieu de travail : VILLEURBANNE
Date de publication : jeudi 14 février 2019
Nom du responsable scientifique : Véronique DUFAUD (C2P2 UMR CNRS 5265); Eliane ESPUCHE (IMP UMR CNRS 5223)
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 2 septembre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 1 768,55 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Offre de thèse
Membranes hybrides multi-stabilisées pour piles à combustible et électrolyseur

Contexte général: La transition écologique et énergétique apparaît nécessaire pour satisfaire les besoins énergétiques croissants, en respectant les contraintes environnementales. Elle sera fondée sur un mix énergétique durable où l'utilisation des énergies renouvelables va s'intensifier. Or, la plupart de ces énergies alternatives (ex. solaire, éolien…) ont une production irrégulière et intermittente imposant des solutions de stockage de l'énergie produite pour permettre un déploiement plus large. La filière hydrogène offre une solution de stockage chimique de cette énergie électrique produite grâce à l'électrolyseur à membrane échangeuse de proton (PEMWE); cette énergie chimique pouvant être par la suite à nouveau restituée sous forme d'énergie électrique par la pile à combustible à membrane échangeuse de proton (PEMFC). Le couple PEMWE/PEMFC apparaît donc comme une solution prometteuse de développement durable. Cependant, la membrane polymère située au cœur de ces dispositifs, qui agit comme séparateur des électrodes et conducteur protonique, limite aujourd'hui les performances des dispositifs et donc leur déploiement à grande échelle. Améliorer les performances et la durabilité de cette membrane est donc un enjeu crucial afin d'éviter une défaillance prématurée des systèmes.
Cette proposition de thèse s'inscrit dans un projet ANR plus large (MULTISTABLE) qui vise à développer des membranes hybrides durables à hautes performances pour le transport et des applications stationnaires. Ceci sera réalisé en utilisant une approche en rupture par rapport aux méthodes plus traditionnelles rapportées dans ce domaine et qui est basée sur la chimie Sol-Gel (SG). Comme déjà démontré par les partenaires de l'ANR, les précurseurs SG peuvent être facilement introduits dans la membrane hôte pour former in situ un réseau 3D SG permettant d'améliorer ses propriétés mécaniques. L'introduction d'inhibiteurs de dégradation chimiques dans la phase SG pour réduire les espèces oxydantes présentes dans les piles à combustible est également envisagée via l'utilisation de précurseurs SG portant des fonctions réactives pouvant être de type sacrificiel (consommées dans le temps) ou rédox (auto-régénérées). Le projet MULTISTABLE vise à combiner ces deux approches, sacrificielle et rédox, afin de garantir une protection optimale de la membrane, quelle que soit la durée de vie des espèces dégradantes formées en pile (radicaux et peroxyde d'hydrogène). L'impact de ces variations synthétiques sur les propriétés d'hydratation et de perméabilité ainsi que sur la stabilité mécanique des membranes finales sera soigneusement évalué afin de permettre d'établir des relations structure / propriété en vue de la conception de membranes plus durables.
Description du projet de recherche:
Le projet de thèse, qui comprend deux axes principaux, sera mené en étroite collaboration entre deux laboratoires, C2P2 et IMP, tous deux situés sur le campus de l'Université de Lyon 1.
1) Préparation de membranes hybrides stabilisées
Deux stratégies de synthèse dépendant de la nature des additifs stabilisants (sacrificiels ou rédox) à introduire seront explorées. L'un des principaux avantages de la chimie sol-gel est sa grande flexibilité, qui permet de varier facilement les conditions de réaction et donc de contrôler à façon les propriétés chimiques et mécaniques finales des matériaux. L'effet des différents paramètres synthétiques sol-gel (pH, température, temps de réaction, quantité d'eau) sera exploité pour déterminer la qualité et le degré d'imprégnation de la phase sol-gel dans la membrane. En particulier, le degré de réticulation régissant la rigidité du réseau d'oxydes pourra être maîtrisé en contrôlant le nombre de groupes hydrolysables/condensables portés par le précurseur SG. L'homogénéité chimique et/ou la dispersion des inclusions au sein du réseau 3D SG est une autre question cruciale à traiter. Finalement, plusieurs tests de caractérisation bien maîtrisés seront effectués à chaque étape majeure de l'élaboration afin de sélectionner l'approche de mise en œuvre optimale pour nos objectifs.
2) Evaluation des propriétés fonctionnelles des membranes et établissement des relations structure/propriétés
Les performances et la durabilité des membranes hybrides pendant le fonctionnement des piles à combustible dépendront de leur conductivité protonique à faible humidité relative et à haute température, de leur cinétique d'hydratation et de rétention d'eau, de leur perméabilité aux gaz et enfin de leur stabilité chimique et mécanique. L'objectif de cet axe de la thèse est d'obtenir des données quantitatives sur les propriétés fonctionnelles de la membrane afin d'établir les relations structure/propriétés permettant de guider la synthèse de membranes hybrides optimales. Pour répondre à cet objectif, les mécanismes d'hydratation, le comportement mécanique et la perméabilité aux gaz à différents taux d'hydratation seront étudiés et reliés aux structures développées.


Contacts: Véronique DUFAUD (C2P2 UMR CNRS 5265); Eliane ESPUCHE (IMP UMR CNRS 5223)

Profil du candidat: Master ou ingénieur ayant de bonnes connaissances en chimie sol-gel, chimie organique et chimie physique.

Contexte de travail

L'unité C2P2 se distingue par une variété de compétences uniques et rarement rassemblées dans un même laboratoire. C'est un point fort qui fait la reconnaissance des équipes et leur permet de se positionner de manière originale à l'échelle nationale et à l'échelle internationale. Cette recherche s'appuie sur des concepts forts, souvent originaux et se valide par une démarche scientifique accompagnée de réalisations concrètes : nouvelles réactions, réactions plus efficaces, plus sélectives, moins consommatrices d'énergie et de matières premières etc… Elle balaye les grands domaines de la catalyse et de la chimie : de la pétrochimie à la chimie fine, des grands polymères industriels aux architectures macromoléculaires complexes, des nanomatériaux organiques et inorganiques aux nanoparticules hybrides, ceci dans un souci permanent d'intégration du procédé. Pour l'ensemble de ces thèmes, la recherche est dans une phase ascendante avec l'émergence de nouveaux sujets, souvent en lien étroit avec les grands enjeux économiques et sociétaux de notre époque. Le lien avec les grands industriels de la chimie contribue à affuter cette vision sans toutefois entraver la liberté stratégique de l'unité dans la définition de ses recherches dont les financements publics et privés sont équilibrés.

Le laboratoire est localisé dans un environnement scientifique de haut niveau et s'intègre dans cette dynamique locale par le jeu des collaborations et des partenariats. La structuration de la chimie lyonnaise par le biais de l'ICL en est un des meilleurs exemples. L'institut et les unités de recherche qui lui sont associées ont ainsi ouvert l'accès à des moyens très performants, indispensables au développement des sujets les plus pointus. Les pôles de compétitivité comme Axelera et Plastipolis favorisent l'émergence de partenariats avec le tissu industriel local, ce qui s'est fait pour certains en collaboration étroite avec l'UMR 5223, Ingénierie des Matériaux Polymères. L'école CPE qui nous héberge ouvre également l'accès à une plateforme de RMN et de manière plus générale offre un site de travail dont la conformité avec les règles d'hygiène et sécurité est étroitement surveillée. L'unité elle-même bénéficie de nombreux moyens de synthèse et de caractérisation. Elle sait travailler dans des conditions difficiles et sous atmosphère contrôlée et possède toute une batterie de réacteurs sophistiqués qui balayent une large gamme de P,T, de volumes et de procédés. Enfin, les chercheurs participent de façon très importante à l'enseignement de CPE et de l'UCB et accueillent beaucoup d'étudiants en stage et en thèse.
Thématiques
Procédés de Polymérisation
Chimie de Polymérisation
Colloïdes comples
Chimie organometallique de surface
Nanomatériaux fonctionnels et supports
Liquides ioniques

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