Exploration de nano-architectures de sites actifs de MoS2 pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau

L’hydrogène est un vecteur énergétique stratégique, pouvant remplacer les énergies fossiles utilisées en mobilité ou pour le stockage d’énergie. La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est une technologie particulièrement pertinente car elle est beaucoup moins émettrice de CO2 que le procédé actuel largement répandu de reformage du méthane. Toutefois, pour diminuer les coûts des électrolyseurs, il est crucial d’identifier de nouvelles phases actives alternatives au platine utilisé actuellement à la cathode pour catalyser la demi-réaction d’« Hydrogen Evolution » (HER). Le disulfure de molybdène (MoS2), moins onéreux et plus abondant, est une phase active particulièrement attractive pour le remplacer, notamment en raison de ses propriétés électroniques. Néanmoins, l’activité HER du MoS2 demeure à ce jour en deçà de celle du platine. Un nouveau « design » à l’échelle atomique de cette phase active est donc nécessaire. En effet, la phase active de MoS2 dispersée se présente sous forme de nano-feuillets bidimensionnels dont seuls les sites Mo localisés sur les bords présentant des défauts (ou lacunes) de soufre sont reconnus comme actifs. L’un des enjeux est donc de générer des sites actifs supplémentaires localisés sur le plan basal, plan généralement inerte mais qui a l’avantage de présenter la plus grande surface spécifique de ce matériau.
La thèse proposée vise donc à mettre en œuvre de nouvelles méthodes de préparation permettant de générer de tels sites actifs, afin d’obtenir des gains d’activité notables en HER. Tous les matériaux synthétisés seront caractérisés par des techniques conventionnelles (analyses texturales, XPS, TPR) mais aussi plus avancées, afin d’identifier et quantifier les sites actifs créés : notamment des spectroscopies de type RMN MAS avec molécules sondes et d’absorption X (XAS), et également de la microscopie (STEM-HAADF) afin de visualiser la morphologie des nanostructures MoS2. Les performances en HER de ces matériaux de cathode seront évaluées ce qui permettra d’établir des relations structures-activités, à partir de descripteurs clefs déterminés expérimentalement et par simulation quantique.

Mots-clefs : production d’hydrogène, HER, électrolyse de l’eau, préparation d’électrode, disulfure de molybdène, activation du plan basal, modélisation quantique.

• Directeur de thèse    Dr RAYBAUD Pascal, IFPEN
• Ecole doctorale    ED 206 (Ecole Doctorale de chimie de Lyon), https://www.edchimie-lyon.fr/
• Encadrant IFPEN    Dr CARRETTE Pierre-Louis, Catalyse, Biocatalyse et Séparation, p-louis.carrette@ifpen.fr
• Localisation du doctorant    IFP Energies nouvelles, Lyon, France
• Durée et date de début    3 ans, début au cours du quatrième trimestre 2023
• Employeur    IFP Energies nouvelles, Rueil-Malmaison, France
• Qualifications    Etudiants de Master de chimie, physico-chimie, catalyse et grandes écoles d’ingénieurs. Compétences en catalyse et/ou électrochimie requises
• Connaissances linguistique    Bonne maîtrise de l’anglais indispensable, français souhaitable
• Autres qualifications    Des connaissances dans le domaine de la chimie théorique appliquée aux matériaux seraient souhaitables

Pour postuler, merci d’envoyer votre lettre de motivation et votre CV à l’encadrant IFPEN indiqué ci-dessus.