Description

La demande mondiale de lithium métal augmente en raison de l'électrification des modes de transport [1]. L'extraction du lithium peut être faite en solution aqueuse. La méthode classique consiste en une étape de évaporation suivie d'une étape purification chimique [2]. Toutefois, ce processus est néfaste pour l'environnement. Une autre approche consiste à extraire directement le lithium à l'aide de membranes (conductrices d'électrons ou non) en utilisant un effet de tamisage des ions et une polarisation électrique. Une telle approche a été récemment démontrée expérimentalement en utilisant des électrodes de piles au lithium conventionnelles [3]. Il est possible d'améliorer ce procédé en contrôlant la sélectivité de la membrane afin d'augmenter le flux ionique. Il s'agit dans la cadre de cette thèse d'obtenir une compréhension fondamentale des processus moléculaires qui se déroulent à l'interface membrane/électrolyte. Par exemple, des travaux récents ont montré qu'on pouvait calculer les barrières d'énergie libre de passage des ions à travers une membrane bidimensionnelle afin d'étudier la sélectivité ionique [4]. Cependant, l'approximation classique de type 'champ moyen' pour le traitement de la double couche électrique s'avère problématique [5] en raison de l'absence des forces de corrélation ionique [6]. Une autre complication qui n'a pas été prise en compte dans les travaux antérieurs [3,4] est la nature variable de la membrane en fonction des forces thermodynamiques environnantes telles que le pH et le champ électrique. Les membranes en céramique ou en carbone ont, dans la plupart des cas, des textures défectueuses qui permettent la localistion de charges à proximité de leur surface sous l'effet de la tension appliquée [6]. L'ambition scientifique de ce travail est le développement d'un cadre général pour prédire la sélectivité des membranes en fonction des conditions thermodynamiques. Dans ce projet, nous visons à construire un cadre pour prédire la sélectivité des ions à travers les membranes poreuses en céramique et en carbone. Nous prévoyons de tenir compte de la redistribution des charges dans l'électrolyte et le solide grâce à des potentiels inter-atomiques réactifs dont il conviendra établir la robustesse. L'objectif du travail in fine, est de développer une approche analytique de type modèle primitif reflétant les conditions interfaciales/poreuses, électrolytiques informées par les simulations atomistique. Ces conditions prendront en compte la discontinuité des bandes électroniques à l'interface [9] et la discontinuité diélectrique interfaciale [10]. En parallèle, les résultats des simulations seront étayés ou infirmés par des mesures électrochimiques expérimentales réalisées au laboratoire. Diverses techniques de calcul seront employées pour échantillonner les détails atomistiques des côtés solide et liquide, depuis la dynamique moléculaire classique et les approches de Monte Carlo jusqu'aux techniques de méta-dynamique [11].

Compétences requises

Le candidat ou la candidate retenu.e devra avoir une solide formation en physico-chimie aux interfaces. Une base solide en physique statistique associée à des connaissances de méthodes de simulation sera décisive. L'aptitude à coder (Python, C...) sera un avantage. L'environement au laboratoire et les collaborations internationales de l'équipe encadrante nécessitera un bonne pratique de l'anglais.

Bibliographie

References:
[1] D. Castelvecchi, Nature, 596, 336 (2021)
[2] A. Khalil, S. Mohammed, R. Hashaikeh, and N. Hilal, 528, 115611 (2022)
[3] S. K. Patel, A. Iddya, W. Pan, J. Qian, and M. Elimelech, , Sci. Adv. 11, eadq9823 (2025).
[4] N. Bonnet and N. Marzari, ACS Nano, 19, 9, 8552–8560 (2025)
[5] J. Wu, Chem. Rev. 122, 10821 (2022)
[6] R. Dupuis, K. Ioannidou, R. J.-M. Pellenq, PRX Energy 4, 023001, (2025)
[7] R. J.-M. Pellenq, J.-M. Caillol, A. Delville, J. Phys. Chem. B, 101 (42): 8584-8594, (1997)
[7] A. Delville, R. J.-M. Pellenq, J.-M. Caillol, J. of Chem. Phys., 106 (17): 7275-728 (1997)
[9] J. Yang, M. Youssef, and B. Yildiz, Phys. Rev. Mater. 2, 075405 (2018)
[10] K. Hakim, PhD, University of Montpellier (2025)
[11] Y. Gao, Y. Tao, G. Li, P. Shen, R. J.-M. Pellenq, C.-S. Poon, PNAS 122 (1), e2418239121 (2025)

Mots clés

simulation moléculaire, sélectivité membranaire, physique statistique, expérience de séparation ionique