Description du sujet de thèse

In this thesis, the feasibility of in situ light scattering measurements, developed at CORIA for soot, will be proven for the first time on TiO2 (titanium dioxide) nanoparticles to obtain information on the gyration diameter of aggregates in laminar flames. During the thesis, quantitative measurements of elastic light scattering will be carried out in the laboratory for the first time. In order to verify the accuracy of the measurement, we will initially consider a classical context for light scattering, i.e. the case of soot production in ethylene/air (Fig 1b). Then, the technique will be implemented on the CHANCE flame used for TiO2 production under laminar conditions (Fig1a). Finally, TiO2 production in turbulent conditions will be studied using the different optical diagnostics developed in the laboratory (laser-induced incandescence and elastic light scattering).

Contexte de travail

The proposed activity is part of the TOSCaNA project (Flame Spray Pyrolysis of metal-oxides: TOward Size and morphological Control of flame-synthesized NAnoparticles by combining experimental and numerical approaches ), funded in 2024 by ANR – The French National Research Agency.
Nanoparticle (NP) synthesis is a viable way of pursuing the production of next-generation materials. To enable their industrial use, technologies enabling large-scale, low-cost production of NPs with optimized characteristics are essential. For this, FSP (flame spray pyrolysis) systems are a promising option, but precise control of turbulent combustion is required as it governs particle characteristics such as size and morphology, which largely determine the performance of the final material. For this reason, CFD (Computational fluid dynamics) numerical simulation, providing unique and complementary information to experiments, is an essential tool for the rational design of nanoparticles, whose manufacture is generally based on “trial & error” methods. Thus, the aim of TOSCaNA is to develop an experimental approach and a CFD formalism for predicting the size and morphology of metal oxides synthesized via a flame. In this context, this thesis will focus on the development of in-situ elastic light scattering measurements for metal oxides produced in flames.

La synthèse de nanoparticules (NP) constitue une voie viable pour poursuivre la production de matériaux de nouvelle génération. Pour permettre leur utilisation industrielle, des technologies permettant une production à grande échelle et peu coûteuse de NP avec des caractéristiques optimisées sont obligatoires. Pour cela, les systèmes de pyrolyse de flamme de spray (FSP-flame spray pyrolysis) constituent une option prometteuse, mais un contrôle précis de la combustion turbulente est nécessaire car elle régit les caractéristiques des particules telles que la taille et la morphologie. Ce sont ces caracteristiques qui déterminent grandement les performances du matériau final. Pour cela, la simulation numérique CFD (Computational fluid dynamics), fournissant des informations complémentaires et uniques aux expériences, est un outil essentiel pour la conception rationnelle des nanoparticules, dont la fabrication est généralement basée sur des méthodes « trial & error». Ainsi, l'objectif de TOSCaNA est de développer un approche expérimentale et un formalisme CFD pour la prédiction de la taille et de la morphologie des oxydes métalliques synthétisés via une flamme.
Dans ce contexte, cette thèse portera sur le développment des mesures in-situ de diffusion élastique de lumière pour des particules d'oxydes de metal produites dans des flammes.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Informations complémentaires

Applicants for PhD appointment will hold a M.Sc. in Mechanical Engineering/Energetics/Physics. The position requires strong willing to develop experimental skills in the combustion field and/or optical diagnostics for nanoparticles. Good oral and written communication skills to report, to present in congress and to write articles for scientific journals.