Thèse Couches Minces Mof Metal Organic Framework pour la Capture - Degradation de Polluants H/F

École polytechnique

Établissement : École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : PMC - Laboratoire de Physique de la Matière Condensée
Direction de la thèse : Catherine HENRY DE VILLENEUVE ORCID 0000000286683070
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59

Les MOFs (Metal Organic Frameworks) sont des matériaux cristallins poreux obtenus par assemblage d'ions métalliques et de ligands organiques. Leur porosité et leur grande diversité de propriétés structurales et physico-chimiques - ajustables par le choix des précurseurs - leur donne un fort potentiel pour de nombreuses applications (stockage de fluide, membrane, catalyse, capteurs, dispositifs (opto)électroniques...). Les développements autour de ces matériaux - synthétisés le plus souvent sous forme de poudres (nano)microcristallines - ont longtemps porté sur la synthèse de nouveaux matériaux, l'étude de leurs propriétés et la mise en échelle de leur production pour des applications pour le stockage de fluide ou la catalyse. Ces dernières années leur mise en forme sur des surfaces - qui est un prérequis pour leur intégration dans des dispositifs (capteurs, dispositifs (opto)électroniques, catalyse hétérogène...) - donne lieu à d'importants efforts de recherche. Bien que ce domaine soit très actif, la fabrication de couches minces avec des propriétés bien contrôlées, en vue d'applications ciblées, reste souvent un challenge.

Ce projet de thèse a pour objectifs le développement de méthodes de synthèse de couches minces MOF par croissance direct sur des surfaces et l'étude des propriétés de ces matériaux en couche mince. Les systèmes étudiés seront des MOFs à base de métaux de transition (Fe, Ni, Cu...) et de ligands carboxylates, qui offrent une diversité de propriétés structurales (taille et forme de pores, surface spécifique) et qui présentent des propriétés (optique, photo/électro-catalytique, redox...) intéressantes pour diverses applications. Les axes de travail porteront sur le développement de procédures de synthèse permettant la croissance de ces matériaux sur des surfaces, le contrôle de leurs propriétés structurales et l'étude de leurs propriétés (photo)catalytiques, dans le contexte de leur mise en oeuvre pour la capture et la transformation de polluants chimiques.

Les MOFs (Metal Organic Frameworks) sont le plus souvent obtenus sous forme de poudres (nano)microcristallines par des méthodes de synthèse en solution. Ces dernières années leur mise en forme sur des surfaces - qui est un prérequis pour certaines applications (capteurs, dispositifs (opto)électroniques, catalyse hétérogène...) - donne lieu à d'importants efforts de recherche. Bien que ce domaine de recherche soit très actif, la préparation de couches minces avec des propriétés bien contrôlées, en vue d'applications ciblées, reste souvent un challenge. [1, 2]
Dans ce contexte, notre équipe s'intéresse à la préparation de couches minces MOF par croissance directe sur des surfaces. Les matériaux que nous étudions sont des MOFs à base de métaux de transitions (Fe, Ni, Cu...) et de ligands carboxylates qui sont photo-actifs et présentent des propriétés intéressantes pour des applications en photo/électro catalyse, la conversion ou le stockage d'énergie. [3-6]

More often MOFs (Metal Organic Frameworks) are obtained as (nano)microcrystalline powders by synthesis methods in solution. These last years their shaping on solid surfaces -which is a prerequisite for some applications (sensors, (opto)electronic devices, heterogeneous catalysis...) - give rise to intense research activities . Despite important research efforts, the preparation of MOF layers with well controlled properties for targeted applications remain often a challenge. [1, 2]
Within this context, our group is interested in the preparation of MOF layers by direct growth on surfaces. The materials under investigation are transition metal (Fe, Ni, Cu) based MOFs and carboxylate ligands which are photoactive and exhibit interesting properties for applications in photo/electro catalysis, or energy conversion/storage. [3-6]

-Réalisation de couches MOFs de structure contrôlée (morphologie, structure cristalline, cristallinité...)
-Etude des propriétés (photo/electro)catalytiques de ces matériaux en couches minces en vue d'application pour la capture/dégradation de polluants.

-Preparation of MOF layers with controlled structure (morphology, crystalline structure, crystallinity...)
-Study of the (photo/electro)catalytic properties of these thin layer materials in view of their use for pollutant capture and/or degradation,

Le projet de thèse s'inscrit dans une thématique de recherche déjà en cours de développement au sein de l'équipe ECM du laboratoire PMC. Il s'appuiera sur des travaux précédents au cours desquels des procédures de synthèses de couches MOF à base de Fe(III) et de ligands téréphtalates (1,4-benzene dicarboxylate, BDC) ont été mises au point. [7, 8] Les nouveaux axes de travail porteront sur les questions suivantes :
i) Le développement de nouvelles procédures de synthèse et/ou de traitements post-synthèse permettant de contrôler les propriétés structurales des couches (type de phase cristalline, morphologie, orientation cristallographique, épaisseur, cristallinité...),
ii) L'étude des mécanismes de nucléation/croissance
iii) L'étude des processus de capture et de (photo)dégradation de polluants.
Les couches MOF seront réalisées par des méthodes de synthèse en solution. Elles seront caractérisées par la mise en oeuvre de techniques de caractérisation de surface (Diffraction/réflectivité/absorption de Rayons X, microscopie électronique (MEB), microscopie à force atomique (AFM), spectroscopies optiques (FTIR, Raman, ellipsométrie) et des techniques électrochimiques), accessibles au laboratoire ou dans le cadre de collaborations. Des accès à du temps de faisceau Synchrotron seront demandés si nécessaire pour la caractérisation structurale des couches minces dont la quantité de matière correspondante est en dessous de la sensibilité des diffractomètres RX de laboratoire.
La réactivité (adsorption de polluants, réaction de (photo)décomposition) de ces matériaux en couche mince sera étudiée, en fonction des propriétés structurales (type de phase, cristallinité, morphologie, épaisseur...). Dans la mesure du possible, des caractérisations in situ seront réalisées pour étudier les cinétiques des processus mis en jeu.

The thesis project is part of a research theme already under development within the ECM team of the PMC laboratory. It will build on previous work in which procedures for synthesizing MOF layers based on Fe(III) and terephthalate ligands (1,4-benzene dicarboxylate, BDC) were developed. [7, 8] New lines of work will focus on the following issues:
i) Development of new synthesis procedures and/or post-synthesis treatments to control the structural properties of the layers (type of crystalline phase, morphology, crystallographic orientation, thickness, crystallinity, etc.),
ii) Study of nucleation/growth mechanisms
iii) Study of pollutant capture and (photo)degradation processes.
MOF layers will be produced using solution synthesis methods. They will be characterized using surface characterization techniques (X-ray diffraction/reflectivity/absorption, electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), optical spectroscopy (FTIR, Raman, ellipsometry) and electrochemical techniques), available in the laboratory or through collaborations. Access to Synchrotron beam time will be requested if necessary for structural characterization of thin films whose corresponding amount of material is below the sensitivity of laboratory X-ray diffractometers.
The reactivity (adsorption of pollutants, (photo)decomposition reactions) of these thin-film materials will be studied, depending on their structural properties (phase type, crystallinity, morphology, thickness, etc.). Wherever possible, in situ characterizations will be carried out to study the kinetics of the processes involved.