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Doctorant-e (H/F) en chimie des matériaux : Synthèse, caractérisation et mise en forme de matériaux céramiques pour électrolyseurs à haute température

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Informations générales

Référence : UMR6502-OLIJOU-002
Lieu de travail : NANTES
Date de publication : jeudi 23 juillet 2020
Nom du responsable scientifique : Olivier JOUBERT
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Contexte :
Dans un futur proche, la production d'hydrogène par l'électrolyse de l'eau jouera un rôle majeur afin de décarboner les processus industriels fortement émetteurs de CO2 en permettant la production de carburants de synthèses et d'hydrogène industriel vert. Dans ce cadre, le procédé d'électrolyse à haute température permet de valoriser l'énergie thermique fatale des procédés industriels fortement émetteurs de CO2 comme la synthèse de méthanol, d'augmenter les rendements et de réduire les émissions de CO2.
Fonctionnant à des températures comprises entre 400 et 600°C, les cellules céramiques à conduction protonique (PCC) sont particulièrement prometteuses parce qu'elle combinent les avantages des cellules à haute température de type Solid Oxide Cell (SOC) à conduction anionique et des cellules à membrane polymère (type PEM) fonctionnant à basse température, notamment : (i) le domaine de température permet d'atteindre des rendements élevés par rapport aux PEMs et (ii) la consommation d'eau se déroule à l'électrode à air sans mélange avec de l'hydrogène produit. Ces avantages rendent ces systèmes flexibles et intéressants dans les secteurs de l'énergie et de l'industrie chimique. Malgré un très fort potentiel, le développement des PCC est beaucoup moins mature que celui des SOC ou des PEM.

Objectifs :
Le développement de matériaux céramiques d'électrolyte à conduction protonique et d'électrode à air en agissant sur la composition, la microstructure et les méthodes de mise en forme sera la clé de voûte de la thèse. Un premier axe sera dédié à l'optimisation de la conductivité protonique dans les matériaux électrolytiques de type BZCY (BaZr1-x-yCexYyO3-α) afin d'atteindre un niveau allant jusqu'à 10-2 S/cm à 600 °C. Une approche catalytique, déjà éprouvée sur des compositions équivalentes, qui utilise des nanoparticules de Ni sera testée, caractérisée et optimisée. Le second axe de la thèse vise à produire une électrode à air et à la déposer sur l'électrolyte par sérigraphie en optimisant la température de frittage de la couche en dessous de 850°C. L'objectif est d'obtenir une couche d'épaisseur environ 30 µm, avec au moins 30% de porosité, résistante au décollement et dont la résistance de polarisation sera équivalente à celle des cellules actuelles de type SOC. Deux approches seront envisagées :(i) la diminution de la taille des particules de l'électrode considérée et/ou (ii) le développement de nouvelles compositions d'électrode.

Contexte de travail

Les travaux de thèse s'intègrent dans ceux du projet ANR franco-Allemand ARCADE qui s'intéresse au développement de cellules céramiques à conduction protonique bas coût, à support métallique et de taille industrielle (100 cm2) pour la production d'hydrogène vert dans des applications de type Power-to-X.
Le poste sera basé à l'Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), laboratoire d'environ 200 personnels (https://www.cnrs-imn.fr/), un des principaux centres de recherche en matériaux en France, dans l'Equipe Stockage et transformations électrochimiques de l'énergie (ST2E). A l'IMN, les chercheurs de l'équipe ST2E ont une longue expérience dans le domaine des matériaux céramiques pour des applications piles et électrolyseurs à haute température (SOFC et SOEC). De par leur savoir-faire en synthèse et plus généralement en chimie du solide, ils ont développé de nouvelles électrodes et électrolytes tout en améliorant les matériaux existants. Le (la) candidat(e) sera amené (e) à passer des séjours dans l'institut de recherche EIFER à Karlsruhe (Allemagne), partenaire du projet ARCADE pour une durée totale de 10 mois pour y développer la partie mise en forme de l'électrode à air.

Contraintes et risques

Le (la) candidat(e) sera amené (e) à effectuer des voyages entre Nantes et Karlsruhe (Allemagne)

Informations complémentaires

Profil du candidat :
Le (la) candidat(e) devra être titulaire d'un M2 ou équivalent en chimie des matériaux inorganiques. Il (elle) devra avoir une formation solide et variée, à la fois en synthèse (basse température, par chimie douce), caractérisations (analyse chimique, diffraction des rayons X, spectroscopies et/ou microscopie), et analyses électrochimiques (impédance électrochimique,…) des matériaux. Il (elle) participera aux activités de l'équipe ST2E et sera amené (e) à présenter ses travaux dans le cadre de conférences nationales ou internationales. Un très bon niveau d'anglais est souhaité, typiquement B2 ou équivalent.
Le travail sera encadré par 4 chercheurs de l'IMN, Annie Le Gal La Salle, Eric Quarez, Clément Nicollet et Olivier JOUBERT et par Julian Dailly à EIFER. L'inscription en thèse aura lieu à l'Université de Nantes à l'école doctorale 3M.

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