Thèse Matériaux Nanocomposites d'Électrodes pour la Réductionélectrocatalytique du Co2 H/F

Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : CSV- Chimie et Sciences du Vivant
Laboratoire de recherche : Département de Chimie Moléculaire
Direction de la thèse : Marie-noelle COLLOMB ORCID 000000026641771X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-09T23:59:59

La conversion du CO2 en carburants et produits de synthèse carbonés suscite un grand intérêt dans le contexte énergétique et environnemental actuel. Une approche prometteuse est la réduction du CO2 par voie électrochimique pour la production de produits d'intérêts en C1 tels que le monoxyde de carbone (CO), l'acide formique (HCOOH), le méthanol (CH3OH), le méthane (CH4), mais également de produits en C2 comme l'éthanol (CH3CH2OH) ou l'éthylène (CH2CH2). La réaction de réduction du CO2(CO2RR) nécessite cependant le développement de catalyseurs efficaces, sélectifs et stables, capables de fonctionner à des potentiels peu négatifs et basés sur des métaux de transition abondants sur terre [1]. Les catalyseurs hétérogènes à base de métaux de transition et leurs oxydes sont particulièrement prometteurs, car ils donnent accès à un large éventail de produits de réduction. En particulier, les catalyseurs à base de cuivre ont montré leur potentiel pour générer des produits en C2 [2-3].
Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur le développement et la caractérisation de matériaux d'électrodes hydrides nanostructurés et sur l'évaluation de leur potentiel pour l'électro-réduction du CO2. Ces matériaux seront constitués de nanoparticules(NPs) de métaux non nobles ou d'oxydes métalliques dispersées dans une matrice polymère fonctionnalisée (Figure 1, voir pdf). Le cuivre, un métal abondant sur terre, peu coûteux et non toxique, sera utilisé de préférence en raison de sa capacité unique à faciliter la production d'une large gamme de produits de réduction du CO2, y compris les produits C1 tels que le CO, le formiate et le méthane(CH4), ainsi que les produits C2 tels que l'éthanol et l'éthylène. La polyvalence et la simplicité de la méthode de préparation des matériaux hybrides permettent également de tester facilement des mélanges de métaux (tels que le cuivre combiné à un autre métal abondant en terre) afin d'explorer de nouveaux électrocatalyseurs sous forme d'alliages, une approche prometteuse pour améliorer les performances et la sélectivité des catalyseurs [4]. Ces matériaux hybrides moléculaires/inorganiques seront préparés dans des conditions douces en utilisant une approche électrochimique originale, simple et polyvalente développée précédemment par notre équipe pour l'oxydation de l'eau [5-7].
Les groupes fonctionnels du polymère permettront l'électrogénération in situ des NP métalliques. Ces groupes peuvent également interagir avec les sites catalytiques voisins en participant à la première et/ou à la deuxième sphère de coordination, influençant ainsi la nature des intermédiaires catalytiques et la sélectivité du CO2RR [8]. La matrice polymère jouera un rôle bénéfique en favorisant la formation de nanoparticules ultra-petites (< 5 nm), qui offrent un rapport surface-volume élevé. En outre, elle améliorera la stabilité des matériaux en assurant un confinement stérique et en protégeant les nanoparticules de la dégradation et de la corrosion au cours de l'électrocatalyse.

Ce projet s'inscrit dans la recherche de stratégies innovantes de conversion du CO2. Les catalyseurs hétérogènes font actuellement l'objet de recherches intensives visant à améliorer leur sélectivité et leur stabilité tout en réduisant la surtension nécessaire à la réduction du CO2. Pour améliorer encore les performances des catalyseurs, la nanostructuration est largement utilisée. Les nanomatériaux offrent une surface active élevée, ce qui permet d'augmenter le nombre de sites actifs et de réduire les coûts de production. En outre, la sélectivité de la réaction de réduction du CO2 dépend de la nature des intermédiaires réactionnels formés à la surface de l'électrocatalyseur après l'adsorption du CO2. Les facteurs clés qui influencent la sélectivité et les performances du catalyseur sont la taille des particules, la structure de la surface, la composition et l'utilisation de systèmes bimétalliques [4], ainsi que le microenvironement des sites catalytiques [8].

La méthodologie comprendra la préparation et la caractérisation physique de ces nanocomposites, suivies d'une évaluation de leur performance électrocatalytique dans des solutions aqueuses pour la CO2RR. Des facteurs clés tels que la nature des produits formés,la sélectivité et la stabilité des systèmes seront évalués à l'aide de techniques telles que la voltampérométrie cyclique, les diagrammes de Tafel et l'électrolyse, avec l'identification et la quantification des produits par chromatographie en phase gaz et liquide.
Une caractérisation complète sera effectuée à l'aide de plusieurs méthodes complémentaires pour évaluer la morphologie et lacomposition chimique des nanocomposites, estimer la taille des particules métalliques et évaluer leur dispersion dans le polymère. Destechniques comme l'AFM, le SEM-EDX et le STEM seront employées. De plus, la quantité de métal piégé dans les films polymères seramesurée à l'aide de l'ICP-AES.