Exploration par voies moléculaires de nanostructures sulfures et oxysulfures supportées pour la réduction photocatalytique du CO2

Le projet de thèse se place dans le contexte de la production de « Solar Fuels », autrement dit de carburants ou vecteurs d’énergie utilisant la lumière solaire comme source primaire d’énergie. A l’image des processus naturels, une solution élégante pour limiter les émissions de CO2 serait le stockage de l’énergie solaire dans des liaisons chimiques, par photo-réduction du CO2 en composés valorisables.
Néanmoins, les réactions de conversion d’énergie photonique en énergie chimique par photocatalyse souffrent de rendements encore beaucoup trop faibles. Le challenge majeur consiste donc à développer et à optimiser des systèmes photocatalytiques de réduction du CO2 présentant des rendements quantiques et énergétiques largement augmentés.
Le projet de thèse a pour ambition de développer, via une approche moléculaire, une nouvelle classe de matériaux à base d'oxysulfures de molybdène présentant des propriétés semi-conductrices et réactives appropriées. Avec ces nouveaux matériaux, nous visons à améliorer les performances photocatalytiques en absorbant les photons de longueur d'onde du visible et en limitant la recombinaison des paires électron-trou.
L'objectif de ce travail sera ainsi de comprendre la relation entre la structure et la réactivité de ces matériaux. Des méthodes de synthèse issues de la chimie douce seront développées et optimisées afin de contrôler la nature des phases oxysulfure de molybdène, leur morphologie à l'échelle nanométrique (cluster 0D, ruban 1D, feuillet 2D, feuillets 3D...) et leurs interactions avec le support. Les matériaux synthétisés seront finement caractérisés afin de déterminer leur composition élémentaire, leur nanostructure et leurs propriétés opto-électroniques. Les largeurs de bande interdite seront évaluées par caractérisation UV-Visible et seront comparées aux calculs quantiques en cours effectués sur des systèmes similaires. La réactivité sera mesurée sur l'unité de photoconversion du CO2 à l'IFPEN, qui pourra effectuer des études paramétriques en termes de flux de CO2 et de H2O, d'irradiation, de gamme de longueur d'onde, de température et éventuellement de pression, dans des conditions représentatives de celles d'un procédé positionné à la sortie des cheminées d'usine.
La thèse se déroulera principalement à l'IFPEN (Solaize) et en étroite collaboration avec l'ETH de Zürich, où l'étudiant réalisera des synthèses dédiées lors de différents séjours.

Mots-clés : photocatalyse, solar fuel, (oxy)sulfures de métaux de transition, semiconducteurs, CO2, énergie solaire

• Encadrants IFPEN     Dr. Pascal Raybaud et Audrey Bonduelle, direction Catalyse, Biocatalyse et Séparation (Solaize, France) : audrey.bonduelle@ifpen.fr https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/page/audrey-bonduelle  https://www.ifpenergiesnouvelles.fr/page/pascal-raybaud
• Encadrants académiques    Prof. Dr. Christophe Copéret et Victor Mougel, ETH Zürich (Suisse) https://coperetgroup.ethz.ch/  https://mougel.ethz.ch/
• Ecole Doctorale    ED 206 - Chimie Lyon     
• Localisation du doctorant    IFP Energies nouvelles, Lyon, France, séjours courts à l'ETH de Zurich  
• Durée et date de début    3 ans, démarrage à l'automne 2021
• Employeur    IFPEN, Rueil Malmaison, France
• Academic requirements    Master degree in catalysis or inorganic chemistry
• Langue     Anglais et Français, ou volontaire pour apprendre le français