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Proposition de thèse sur l'élaboration et la caractérisation de matériaux d'électrodes nanostructurés pour l'électrolyse de l'urée à l'ICMPE (Thiais, 94) (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR7182-CHRCAC-001
Lieu de travail : THIAIS
Date de publication : lundi 11 mai 2020
Nom du responsable scientifique : Christine Cachet-Vivier / Stéphane Bastide
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

Sujet: Élaboration et caractérisation de matériaux d'électrode nanostructurés pour l'électrolyse de l'urée

1. Présentation du sujet
Les exploitants de stations d'épuration réfléchissent à des concepts innovants d'assainissement moins coûteux en énergie et permettant de valoriser de la matière (Azote, Phosphore…) [1]. Concernant l'azote, celui-ci provient essentiellement de l'urée présente en grande quantité dans les urines et son traitement n'est pas totalement efficace, ce qui conduit à des rejets dans les rivières et l'atmosphère (nitrate, ammoniac, oxydes d'azote). Une solution serait de collecter séparément les urines et de traiter ainsi l'urée à la source. Parmi les solutions permettant de valoriser l'urée, des travaux ont montré qu'il est possible d'utiliser un traitement électrochimique selon un principe consistant à oxyder l'urée à l'anode et à réduire l'eau en dihydrogène à la cathode [2], selon le processus global :
CO(NH2)2 + H2O --> CO2 + N2 + 3 H2
Cette réaction présente plusieurs avantages : (i) l'élimination de l'urée est couplée à la production de dihydrogène (valorisation énergétique), (ii) le dihydrogène est stockable et transportable en toute sécurité et utilisable dans les piles à combustibles, (iii) l'urée est disponible en grandes quantités dans les eaux usées, (iv) les produits d'oxydation sont non toxiques (azote et carbonates) [2].
Dans ce cadre, la première partie de la thèse sera de développer de nouveaux matériaux d'électrode (anode/cathode) pour la conversion de l'urée qui soient très efficaces, sélectifs et stables. Une seconde partie sera dédiée à la mise en œuvre d'électrolyses de solution d'urée puis d'urines synthétiques ou réelles. Il s'agira d'identifier les produits de réaction par différents moyens analytiques, d'établir des bilans matière et faradique pour différentes configurations et composition de matériaux.

2. Programme de la thèse
La première partie de la thèse consistera à développer de nouveaux matériaux d'anode MxNi1-x (M étant un métal noble) pour la conversion de l'urée et de cathode MoxNi1-x pour la réduction de l'eau. Des matériaux avec différentes compositions seront préparés de manière à obtenir des alliages ou des bi-métalliques [3]. Les paramètres à contrôler sont la cristallinité et la nanostructuration, qui seront déterminées par diffraction des Rayons X et Microscopie Électronique à Balayage, respectivement. Les propriétés électrochimiques vis-à-vis de l'oxydation de l'urée seront évaluées par voltampérométrie et chronoampérométrie afin de sélectionner les matériaux les plus performants en termes d'efficacité et de stabilité.
La deuxième partie de la thèse sera consacrée à la mise en œuvre d'électrolyses préparatives de solutions alcalines d'urée en cellule tests au niveau du laboratoire, en travaillant à potentiel ou intensité contrôlée. Les produits de réaction seront identifiés par différents moyens analytiques (Chromatographie gaz, spectrométrie UV-visible, HPLC), afin de déterminer les bilans matière et faradique. Les résultats seront reliés aux différentes configurations et compositions des matériaux. Après utilisation, les matériaux seront caractérisés par MEB, XPS et Spectroscopie d'Impédance Complexe pour connaître l'évolution de leurs propriétés et envisager des procédures de réactivation, si nécessaire. Les électrolyses seront ensuite réalisées sur des solutions d'urines synthétiques et réelles pour mettre en évidence le rôle d'ions ou molécules présents dans les urines (chlorures, créatine, etc.), à la fois sur les produits formés et l'activité des électrodes.

3. Références
[1] http://www.mocopee.com/
[2] Investigation of multi-metal catalysts for stable hydrogen production via urea electrolysis, R.L. King, G.G. Botte, J. Power Sources 196 (2011) 2773.
[3] Electrochemical oxidation of urea on nickel-rhodium nanoparticles/carbon composites, P. Mirzaei, S. Bastide, A. Dassy, R. Bensimon, J. Bourgon, A. Aghajani, C. Zlotea, D. Muller-Bouvet, C. Cachet-Vivier, Electrochimica Acta 297 (2019) 715.

Contexte de travail

La thèse se déroulera à l'Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE), localisé à Thiais (94). L'ICMPE (UMR 7182), dont les tutelles sont le CNRS et l'Université Paris-Est Créteil, accueille environ 100 permanents. Les domaines de recherche couvrent trois axes thématiques transversaux majeurs: (i) les matériaux pour les structures et l'énergie, (ii) les molécules, matériaux et procédés pour l'environnement et le développement durable, (iii) la chimie pour la santé à l'interface avec le Vivant.
L'étude sera développée plus particulièrement dans le groupe Photo/Electrocatalyse pour l'Energie et l'Environnement et bénéficiera du support technique de deux plateformes technologiques de l'ICMPE (Elaboration / caractérisation de matériaux). Elle s'inscrit dans le cadre du projet ANR HYUREA (N° 19-CE04-0009-01) et se fera également en collaboration avec le LISE (Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques, CNRS – Sorbonne Université) pour la caractérisation par Spectroscopie d'Impédance Complexe.

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