Description

Les matériaux bidimensionnels présentent des caractéristiques remarquables, telles qu’une grande surface spécifique, une épaisseur atomique et une abondance d’atomes de surface ou de bord. Parmi eux, les dichalcogénures de métaux de transition, en particulier le disulfure de molybdène (MoS₂), suscitent un fort intérêt en raison de leurs propriétés uniques. Le molybdène est reconnu comme le principal site actif de la nitrogénase Mo-dépendante, une enzyme capable de fixer le N₂ dans des conditions ambiantes. De plus, MoS₂ expose un grand nombre de sites actifs en bordure grâce à son rapport d’aspect élevé. La création de lacunes en soufre ou de défauts cristallins supplémentaires permet d’augmenter le nombre de centres actifs disponibles sur les plans basaux, améliorant ainsi l’adsorption et la dissociation de N₂. Par ailleurs, la structure électronique de MoS₂ peut être ajustée par dopage avec des hétéroatomes, tels que le fer, ce qui optimise son gap électronique et renforce son activité catalytique pour la réduction de l’azote, mimant ainsi l’action de la nitrogénase naturelle.

Les nanotubes de carbone unidimensionnels (CNTs) constituent également des supports prometteurs pour la catalyse en raison de leur grande surface spécifique, leur stabilité chimique et leur excellente conductivité électrique. En combinant les avantages de MoS₂ et des CNTs, il est possible d’obtenir un électrocatalyseur présentant une activité catalytique améliorée et une efficacité faradique élevée.

L’objectif de ce projet est de développer un électrocatalyseur performant pour l’ENRR, en développant des feuillets de MoS₂ uniformément déposés sur la surface des CNTs. Cette thèse s’articule autour de trois principaux axes :

- La synthèse à grande échelle de matériaux hétérostructurés bidimensionnels-unidimensionnels de type Van der Waals, en particulier MoS₂@CNTs, via une approche ascendante (bottom-up) développée en interne.
- L’étude de l’impact du dopage au fer dans MoS₂ (inspiré de la nitrogénase) pour favoriser la capture spontanée et la réduction électrochimique de N₂ dans des conditions douces.
- L’évaluation des performances électrocatalytiques de ces matériaux dopés au fer pour l’ENRR et la comparaison des rendements obtenus en ammoniac.

À ce jour, la majorité des travaux publiés sur ce sujet reposent sur des calculs DFT et des simulations, tandis que les études expérimentales demeurent rares, probablement en raison des défis liés à la fabrication de ces matériaux complexes. La méthode que nous avons développée, basée sur une approche ascendante, n’a pas encore été explorée. Elle offre à la fois un fort potentiel pour une mise en œuvre à grande échelle et la capacité unique de produire des matériaux de haute qualité avec des interfaces atomique propres et bien définies, un facteur clé pour améliorer l’efficacité de la catalyse.

Compétences requises

Le candidat, titulaire d’un Master 2 Recherche en chimie-physique ou en chimie des matériaux, doit posséder une expertise en science des matériaux, électrochimie et catalyse. Un fort intérêt pour les expériences en laboratoire dans un environnement contrôlé est requis. Une bonne maîtrise des techniques d’analyse morphologique, chimique et structurale sera un atout. Excellentes compétences en communication écrite et orale (anglais obligatoire) et autonomie dans la rédaction de rapports. Esprit d’équipe essentiel. Le candidat devra fournir l’ensemble des diplômes obtenus ainsi qu’un relevé de notes des deux années de Master.

Bibliographie

References
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(5) Wang, S. et al. Mater. Sci. Semicond. Process. 2024, 177, 108368.

Mots clés

Réaction électrochimique de réduction de l’azote, Matériaux hétérostructurés Van der Waals de dimensionnalité mixte, Alternatives au procédé Haber-Bosch