Doctorant (H/F): Développement d’électrocatalyseurs nanostructurés pour la valorisation des déchets nitratés en ammoniac vert

Description du Poste

Sujet De Thèse

Ce contrat doctoral s’inscrit dans le cadre du projet BOOOST, financé par l’ANR (2025-2029), qui vise à proposer une nouvelle méthodologie pour les électrodes décorées de nanostructures électrocatalytiquement actives, mais qui présentent également une grande efficacité de diffusion Raman. En effet, bon nombre de candidats électrocatalyseurs validés en configuration préliminaire de trois électrodes sur de très petites surfaces et/ou dans la formulation de l’encre catalytique ne franchissent pas l’étape de validation en électrolyseur, car les méthodes de synthèse sont difficilement transposables à l’échelle pilote.[1] L’idée est donc de partir d’une approche de rétro-ingénierie pour obtenir des électrocatalyseurs directement sur les supports d’électrodes industriels (GDE, GDE), et ainsi éliminer l’étape intermédiaire de préparation des encres catalytiques, afin de lever les verrous persistants dans un environnement d’essais réalistes, sans compromettre la réplicabilité des résultats.

Outre ces aspects de rétro-ingénierie pour guider le développement de nouveaux électrocatalyseurs directement sur des supports GDE de taille modulable (par exemple, de 10 à 100 cm2), compatibles avec les électrolyseurs, le sujet de thèse se situe à la croisée de l’électrocatalyse et des sciences de l’environnement. L’objectif ultime est de mettre au point des systèmes à faible coût permettant la transformation électrocatalytique sélective des nitrates en ammoniac vert. Ce procédé vise principalement à éliminer les nitrates des eaux usées afin d’éviter des problèmes de santé, et secondairement à proposer une alternative au procédé Haber-Bosch actuel, responsable de 1,5 % des émissions mondiales de CO₂ et d’environ 2% de la consommation énergétique mondiale.[2]

Si la stratégie d’électrolyse est une approche élégante alimentée par de l’électricité renouvelable provenant de diverses sources (solaire, éolienne, hydraulique, etc.), le fonctionnement des électrocatalyseurs pour la réaction relativement complexe de réduction des nitrates, transfert couplé de protons et des électrons (NO3RR : NO3– + 6H2O + 8e– → NH3 + 9OH–) n’est pas encore bien compris pour concilier les trois paramètres que sont l’activité, la sélectivité et la stabilité. Par exemple, entre le nitrate et l’ammoniac, l’azote se trouve à ses états d’oxydation extrême, soit N(+V) et N(-III), ce qui implique la possible formation de plusieurs autres composés (NO2–, NO, N2O, NH2OH, N2, etc.). L’objectif fondamental de ce projet de thèse est donc d’obtenir les paramètres de performance (activité, sélectivité, stabilité) qui régissent NO3RR. Nous visons à la fois une conversion efficace à l’échelle macroscopique dans des électrolyseurs et des études mécanistiques grâce à des mesures électrochimiques et Raman operando résolues dans le temps. La stratégie de synthèse reposera pour la plupart sur l’électrodépôt contrôlé de nanostructures métalliques à effets catalytiques complémentaires (M, M1@M2, M = Cu, Au, Ag, etc.) sans tensioactifs organiques (qui bloquent l’accès à certains sites actifs), effectuée sur des électrodes GDE bon marché (destinées à l’électrolyse) et sur des ultramicroélectrodes en carbone (UME) pour les approches fondamentales. L’objectif est d’apporter des preuves expérimentales aussi précises que possibles sur une fibre unique (i. e. UME) et sur un ensemble de fibres (i. e. GDE) concernant les premiers instants mécanistiques de NO3RR, sujet sur lequel la littérature actuelle est partagée : (1) Toutes les liaisons N-O sont-elles rompues dans le nitrate avant l’hydrogénation en NH3 ?[3] Ou (2) l’hydrogénation commence-t-elle après la rupture de la première/deuxième liaison N-O dans le nitrate ?

La thèse s’appuiera sur l’expertise unique de l’équipe d’encadrement, qui couvre la synthèse des matériaux (électrochimie, ALD, etc.)[4] ainsi que les méthodes instrumentales à l’instar du couplage entre électrochimie et spectroscopie Raman.[5] La validation finale sera effectuée sur un prototype d’électrolyseur préindustriel conçu à l’IEM de Montpellier.
Les travaux seront menés en collaboration avec un postdoctorant rattaché à l’Institut parisien de chimie moléculaire (IPCM, Sorbonne Université, professeur Emmanuel Maisonhaute).

Bibliographie :
[1] D. Siegmund et al., JACS Au 2021, 1, 527, https://doi.org/10.1021/jacsau.1c00092.
[2] P. H. van Langevelde et al., Joule 2021, 5, 290, https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.12.025.
[3] H. Yin et al., ACS Nano 2023, 17, 25614, https://doi.org/10.1021/acsnano.3c10058; F.-Y. Chen et al., Nat. Nanotechnol. 2022, 17, 759, https://doi.org/10.1038/s41565-022-01121-4; W. Jung et al., Mater. Chem. Front. 2021, 5, 6803, http://dx.doi.org/10.1039/D1QM00456E.
[4] Z. Hagheh Kavousi et al., J. Mater. Chem. A 2025, 13, 34231, http://dx.doi.org/10.1039/D5TA02374B; Y. Holade et al., ACS Catal. 2022, 12, 12563, https://doi.org/10.1021/acscatal.2c03399; B. A. Karamoko et al., ChemElectroChem 2025, 12, e202500338, https://doi.org/10.1002/celc.202500338; Z. Hagheh Kavousi et al., ChemSusChem 2024, 17, e202400996, https://doi.org/10.1002/cssc.202400996.
[5] T. Touzalin et al., Curr. Opin. Electrochim 2017, 6, 46, https://doi.org/10.1016/j.coelec.2017.10.016; X. S. Zhou et al., Chem. Commun. 2016, 52, 251, http://dx.doi.org/10.1039/C5CC07953E; T. Touzalin et al., Anal. Chem. 2017, 89, 8974, https://doi.org/10.1021/acs.analchem.7b01542.

Votre Environnement de Travail

Le candidat (H/F) sera inscrit à l’École Doctorale 459 Sciences Chimiques Balard de l’Université de Montpellier. La thèse se déroulera à l’Institut Européen des Membranes (IEM, UMR 5635, Univ Montpellier, ENSCM, CNRS), un laboratoire de référence internationale en matériaux et procédés membranaires avec une approche multi-échelle et pluridisciplinaire. IEM, ICGM, IBMM et ICSM font partie du Pôle Chimie Balard, un pôle d’excellence avec pour objectif de rapprocher la recherche, l’enseignement et la valorisation. Le doctorant (H/F) bénéficiera d’un environnement de travail complémentaire dans le cadre de la formation par la recherche en plus de 100 h de formation additionnelle parmi l’offre de formation proposée par l’École Doctorale.

Rémunération et avantages

Rémunération

2300€ brut 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.

Le CNRS

Les métiers de la recherche