Thèse Développement de Catalyseurs Bimétalliques pour la Réduction du Co2 en Produits Multi-Carbones H/F

Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : CSV- Chimie et Sciences du Vivant
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux
Direction de la thèse : Vincent ARTERO ORCID 0000000261488471
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-09T23:59:59

La réduction électrochimique du CO2 en produits contenants des liaisons C-C est un défi qui doit être surmonté pour permettre une réelle transition vers la production de carburants et de produits chimiques durables. L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux systèmes catalytiques capables de produire des produits multi-carbonés à partir du CO2 en utilisant de l'électricité verte comme source d'énergie. Le projet se base sur exploitation des complexes bimétalliques originaux en tant que catalyseurs pour la réaction. La structure de ces complexes s'inspire des sites actifs postulés dans les matériaux catalytiques de pointe. La synthèse, la caractérisation structurelle et électrochimique des complexes seront suivies de leur évaluation en tant qu'électrocatalyseurs, en se concentrant sur la sélectivité pour les produits multi-carbonés issus de la réduction du CO2. Les complexes les plus prometteurs seront ensuite immobilisés sur des électrodes dans le but d'obtenir des matériaux catalytiques de grande activité et sélectivité. Ce projet implique de multiples disciplines de la chimie, de la synthèse à l'électrochimie et à la fonctionnalisation de surface. Ainsi, il contribuera au développement de nouveaux matériaux et de nouvelles solutions pour déployer la synthèse chimique durable à l'échelle.

La réduction du dioxyde de carbone (CO2) reste un obstacle majeur à la mise en oeuvre d'une économie du carbone entièrement circulaire. L'approche électrocatalytique visant à transformer le CO2 en produits à haute valeur ajoutée tels que le monoxyde de carbone et le méthanol est l'une des approches les plus intéressantes pour cette réduction. L'obtention de produits à plusieurs atomes de carbone à partir de ces processus est toutefois difficile, car elle nécessite des sites actifs bifonctionnels pour réduire le CO2 et permettre ensuite la formation de liaisons carbone-carbone.
Bien que certains systèmes catalytiques hétérogènes à base de cuivre nanostructuré [1], d'alliages (nanostructurés) [2] ou de catalyseurs à sites uniques [3] aient démontré la formation de produits à plusieurs atomes de carbone, il est difficile de déterminer comment ces catalyseurs fonctionnent exactement. Cela empêche à son tour une approche rationnelle pour améliorer l'activité, car les sites actifs sont généralement mal définis. De plus, la modification de ces sites sur le matériau hétérogène n'est pas simple, car elle repose sur des stratégies de dopage ou de restructuration (essentiellement stochastiques) plutôt que sur des adaptations ciblées des sites actifs [4]. En revanche, les catalyseurs moléculaires ont montré une excellente activité pour la réduction du CO2, et leurs propriétés et leur activité sont facilement modulables grâce à la conception des ligands.
Inspirés par les structures proposées pour les sites actifs dans certains catalyseurs hétérogènes, des modèles moléculaires ont été développés dans le but de comprendre la réactivité de ces sites dans des conditions catalytiques [5]. Les modèles moléculaires se concentraient généralement sur des sites actifs métalliques uniques et sur l'effet de la conception des ligands sur la réactivité.
Dans le cadre de ce projet de thèse, nous explorerons une nouvelle classe de ligands macrocycliques et leurs complexes bimétalliques afin d'étudier la réduction du CO2 en produits multi-carbonés.

Synthèse et caractérisation de complexes bimétalliques inspirés des sites actifs des matériaux catalytiques de pointe; évaluation de leur potentiel électrocatalytique pour la réduction du CO2 en produits multi-carbonés; intégration en matériaux d'électrode

La conception des ligands s'inspire directement des sites actifs des matériaux catalytiques de type Dual-atom catalysts (DAC) et présente un système aromatique plan fusionné avec une cavité pouvant accueillir deux atomes métalliques très proches l'un de l'autre. Nous ciblerons la synthèse de structures à base de motifs phénanthroline ainsi que les complexes correspondants avec des métaux de transition de première rangée. Ceux-ci seront caractérisés de manière approfondie à l'aide de diverses méthodes (spectroscopie, spectrometrie de masse, structure cristallographique, etc.). Les complexes seront évalués pour leurs propriétés électrochimiques et électrocatalytiques dans le contexte de la réduction du CO2.
Ensuite, l'immobilisation des complexes bimétalliques sur des substrats d'électrodes sera ciblée afin de générer des matériaux catalytiques hybrides. Les électrodes fonctionnalisées seront caractérisées à l'aide de méthodes spectroscopiques et topologiques (STM, AFM, XPS, etc.), puis évaluées pour leur activité électrochimique et catalytique dans la réduction du CO2, en mettant l'accent sur la formation de produits à plusieurs atomes de carbone.