Thèse (H/F) : Conception de photoélectrodes nanostructurées pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau

Les missions du poste

Contexte
Le développement rapide des procédés photoélectrochimiques (PEC) est motivé par le besoin d'énergie propre (production de H₂, photoréduction de CO₂) et de dépollution.[1] Ces procédés reposent sur des semi-conducteurs qui convertissent les photons solaires en porteurs de charge pour entraîner des réactions d'oxydoréduction. Un matériau idéal doit absorber efficacement la lumière du soleil, séparer et transporter les porteurs de charge et catalyser les réactions tout en restant stable dans l'eau.[2] Cependant, aucun matériau ne répond à tous ces critères, ce qui fait des hétérostructures, telles que les semi-conducteurs combinés à des nanoparticules co-catalytiques, une alternative prometteuse. Malgré les progrès réalisés, il reste difficile d'obtenir à la fois une photoconversion élevée et une stabilité à long terme. Alors que certains semi-conducteurs offrent un rendement photovoltaïque élevé mais une faible stabilité, les oxydes métalliques sont plus stables mais souffrent d'une mauvaise absorption de la lumière visible et d'une faible mobilité des charges.[3] Des photoélectrodes efficaces sont cruciales pour l’utilisation de la photoélectrochimie à grande échelle, en particulier pour la production décentralisée d’hydrogène dans les régions ensoleillées.
L'oxyde de zinc (ZnO) a attiré l'attention en tant que photoanode pour l'oxydation de l'eau par photoélectrochimie en raison de sa grande mobilité électronique, de ses propriétés optiques, de son abondance et de sa faible toxicité.[4] Cependant, sa large bande interdite (3,2 eV) limite l'absorption à la lumière UV, et il subit une photocorrosion sous exposition aux UV, conduisant à une décomposition dans des conditions de pH extrêmes. Par conséquent, le ZnO n'est stable que dans une plage de pH étroite (7-9), ce qui limite son utilisation pratique dans les applications PEC.

Objectif
Cette thèse de doctorat a pour but de déveloper de nouvelles photoélectrodes combinant des nanobâtonets de ZnO et des nanoparticules en tant que co-catalyseur pour permettre une meilleure gestion des porteurs de charge photogénérés. Un défi fondamental dans ce domaine est d'élucider les mécanismes régissant le transport des charges photogénérées, en particulier à l'interface semi-conducteur/co-catalyseur/électrolyte. Une compréhension précise de la dynamique des porteurs de charge - mobilité, séparation et recombinaison - est essentielle pour optimiser les performances de la photoélectrode. Cependant, cela nécessite des nanostructures hiérarchiques bien définies, qui restent difficiles à obtenir et à contrôler, ce qui constitue un obstacle majeur à l'avancement de nos connaissances dans ce domaine.
En combinant notre expertise dans la conception de matériaux et l'accès à des techniques de pointe en spectroscopie à haute résolution, ce projet vise à mieux comprendre la mobilité et la recombinaison des porteurs de charge afin d'obtenir des photoélectrodes stables et hautement efficaces.

Travaux à réaliser
- La synthèse en solution de composites nanostructurés basés sur des réseaux de nanobâtonnets de ZnO bien alignés à partir d’un support. Ces nanobâtonnets de ZnO seront ensuite recouverts par des nanoparticules (co-catalyseur) à l'aide d'une stratégie d'auto-assemblage impliquant des suspensions colloïdales.[5] L'approche chimie verte, respectueuse de l’environnement (milieu aqueux, basse température, rendements quantitatifs ...) sera retenue.
- L'étude des propriétés photoélectrochimiques des nanostructures synthétisées.[6] En affinant les paramètres clés - tels que la composition chimique et la taille des nanoparticules, ainsi que la longueur, la section transversale et la densité des nanobâtonnets - l'étude établira des relations structure-propriété afin d'identifier la photoélectrode la plus efficace et la plus stable.
- Effectuer une analyse rationnelle du mécanisme photoélectrochimique. La nouvelle plateforme Attolight® permettra l'acquisition de données de pointe, offrant un aperçu sans précédent de la mobilité des porteurs de charge et de leur recombinaison à l'interface ZnO/nanoparticules. Cette compréhension approfondie permettra de concevoir des photoélectrodes nanostructurées optimisées, améliorant ainsi l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique.

Références
(1) Kim, J. H.; Hansora, D.; Sharma, P.; Jang, J.-W.; Lee, J. S. Toward Practical Solar Hydrogen Production – an Artificial Photosynthetic Leaf-to-Farm Challenge. Chem. Soc. Rev. 2019, 48 (7), 1908–1971. https://doi.org/10.1039/C8CS00699G.
(2) Sivula, K.; van de Krol, R. Semiconducting Materials for Photoelectrochemical Energy Conversion. Nat. Rev. Mater. 2016, 1 (2), 15010. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2015.10.
(3) Nishiyama, H.; Yamada, T.; Nakabayashi, M.; Maehara, Y.; Yamaguchi, M.; Kuromiya, Y.; Nagatsuma, Y.; Tokudome, H.; Akiyama, S.; Watanabe, T.; Narushima, R.; Okunaka, S.; Shibata, N.; Takata, T.; Hisatomi, T.; Domen, K. Photocatalytic Solar Hydrogen Production from Water on a 100-M2 Scale. Nature 2021, 598 (7880), 304–307. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03907-3.
(4) Liu, C.-F.; Lu, Y.-J.; Hu, C.-C. Effects of Anions and pH on the Stability of ZnO Nanorods for Photoelectrochemical Water Splitting. ACS Omega 2018, 3 (3), 3429–3439. https://doi.org/10.1021/acsomega.8b00214.

Nos références
(5) Azeredo, B.; Carton, A.; Leuvrey, C.; Kiefer, C.; Ihawakrim, D.; Zafairatos, S.; Gallart, M.; Gilliot, P.; Pichon, B. P. Synergistic Photo Optical and Magnetic Properties of a Hybrid Nanocomposite Consisting of a Zinc Oxide Nanorod Array Decorated with Iron Oxide Nanoparticles. J. Mater. Chem. C Mater. Opt. Electron. Devices 2018, 6 (Copyright (C) 2019 American Chemical Society (ACS). All Rights Reserved.), 10502–10512. https://doi.org/10.1039/c8tc02680g.
(6) Favet, T.; Sharna, S.; Keller, V.; El Khakani, M. A.; Cottineau, T. (M,N) Codoping (M = Nb or Ta) and CoO Nanoparticle Decoration of TiO2 Nanotubes: Synergistic Enhancement of Visible Photoelectrochemical Water Splitting. Mater. Today Energy 2023, 37, 101376. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2023.101376.
(7) Bubendorff, J. L.; Ebothé, J.; El Hichou, A.; Dounia, R.; Addou, M. Luminescent Spectroscopy and Imaging of Textured Sprayed Er-Doped ZnO Films in the near Ultraviolet and Visible Regions. J. Appl. Phys. 2006, 100 (1), 014505. https://doi.org/10.1063/1.2211347.

Contexte de travail

Ce projet sera réalisé dans le cadre de l'initiative conjointe entre les Instituts Thématiques Interdisciplinaires (ITI) pour les matériaux hiérarchiques et fonctionnels pour la santé, l'environnement et l'énergie (HiFunMat) et New Insights into Materials and Light (Mat-Light 4.0).

Le candidat (H/F) travaillera à l'intersection de trois laboratoires, qui collaborent tous depuis longtemps à la conception de nanomatériaux avancés avec un fort accent sur la durabilité, y compris la chimie verte, la conversion et le stockage de l'énergie, et la remédiation des polluants.

- L'Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS) fournira des installations de pointe pour la synthèse de composites nanostructurés, ainsi que des techniques de caractérisation asociées telles que MET, MEB, DRX, FTIR et granulométrie.

- L'Institut de chimie et procédés pour l'énergie, l'environnement et la santé (ICPEES) offrira un accès à des analyses photoélectrochimiques résolues en spectres, y compris le balayage linéaire et la voltampérométrie cyclique sous lumière solaire simulée, les mesures de rendement quantique et la spectroscopie d'impédance électrochimique.

- L'Institut de science des matériaux de Mulhouse (IS2M) héberge la plateforme SEM-Attolight®, qui permet d'étudier en temps réel la mobilité des porteurs de charge et les mécanismes de recombinaison par cathodoluminescence, photoluminescence, spectroscopie Raman et de mesurer la conductivité à l'aide de quatre nanorobots. Toutes ces techniques seront réalisées en fonction de la température (10 à 300 K).

Le doctorant (H/F) sera supervisé par Benoit Pichon (IPCMS) et sera donc basé principalement à l'IPCMS. ll travaillera en étroite collaboration avec Thomas Cottineau (ICPEES) and Jean Luc Bubendorf (IS2M). Les mesures effectuées sur la plateforme Attolight® seront programmées pour des campagnes de plusieurs jours, avec un hébergement à Mulhouse qui sera assuré par l'IS2M. Cette thèse sera rattachée à l'école doctorale Physique et Chimie Physique (ED 182).

L'IPCMS et l'ICPEES sont tous deux situés sur le campus du CNRS à Strasbourg, à 20 minutes à vélo du centre ville. L'IS2M se trouve à Mulhouse, à environ 1 heure et 30 minutes de Strasbourg en train, avec des liaisons rapides et fréquentes.

Nous recherchons une personne enthousiaste, rigoureuse, motivée et dotée d'un bon sens de la communication pour rejoindre notre équipe de recherche.
Elle devra :
- Être titulaire d'une maîtrise (ou d'un diplôme comparable) en chimie des matériaux, en chimie physique, en génie chimique ou dans une discipline connexe, délivrée par une université reconnue.
- Avoir un intérêt marqué pour la chimie physique expérimentale, la physique chimique et la science des matériaux.
- Être capable de travailler de manière indépendante et au sein d'une équipe internationale pluridisciplinaire.
- Avoir une bonne maîtrise de l'anglais

Les documents de candidature suivants devront être transmis à benoit.pichon@unistra.fr

- Une lettre de motivation décrivant les antécédents et l'intérêt pour le projet proposé (deux pages maximum) ;
- Un curriculum vitae (maximum trois pages ; résumant la formation, l'expérience professionnelles, l'expérience pédagogique, l'expérience administrative et toute autre activité qualifiante) ;
- Une lettre de recommandation et deux noms de références supplémentaires
- (Le cas échéant) une preuve de compétence linguistique en anglais.
- Copies des certificats d'études, de licence et de maîtrise (relevés de notes uniquement).

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.

Contraintes et risques

Travail en laboratoire avec respect des consignes d’hygiène et de sécurité.