Thèse Synthèse de Nitrures de Fer Nanostructurés Matériaux Durables pour le Secteur de l'Énergie H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : LCC - Laboratoire de Chimie de Coordination Direction de la thèse : Catherine AMIENS ORCID 0000000290881635 Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 Les nitrures de fer sont des matériaux peu coûteux et non toxiques qui peuvent trouver de nombreuses applications, en particulier à l'échelle nanométrique, en fonction de leur composition. Par exemple, la phase nanostructurée -FexN (x=2-3) peut être utilisée comme électrocatalyseur (dans les piles à combustible ou pour la production d'hydrogène), comme électrode dans les batteries haute performance, ou pour ses propriétés magnétiques dans des applications biomédicales. Les nanoparticules de la phase '-Fe4N magnétiquement douce présentent un intérêt considérable pour leurs propriétés d'absorption des micro-ondes. La phase dure -Fe16N2 pourrait être utilisée pour fabriquer des aimants permanents durables.
La principale voie d'accès à ces phases commence par la synthèse de nanoparticules d'oxyde de fer qui sont ensuite réduites à haute température et nitrurées par exposition à l'ammoniac. Afin d'éviter la première étape, très coûteuse en énergie, nous avons développé un procédé basé sur la nitruration directe de nanoparticules de fer zérovalent par l'ammoniac. Cette méthode a permis d'obtenir et de caractériser entièrement la phase -Fe2N. Des expériences préliminaires ont également conduit à des matériaux mixtes composés des phases -Fe et -Fe16N2, ou des phases -Fe3N et '-Fe4N. Cependant, le contrôle de la composition du matériau final reste difficile, en particulier lorsqu'on vise la synthèse de phases à faible teneur en azote.
L'objectif de ce projet de doctorat de trois ans est d'identifier les paramètres clés qui régissent l'incorporation de l'azote dans la structure du fer, dans le but d'ajuster de façon rationnelle la teneur en azote du matériau final et de produire des phases pures nanostructurées.
Pour ce faire, la réactivité des nanoparticules de fer zérovalent vis-à-vis de l'ammoniac et l'incorporation d'azote dans la structure du fer au cours du processus de nitruration seront étudiées à l'échelle atomique et en temps réel à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET) in situ. Sur la base des connaissances acquises, des nanomatériaux de nitrure de fer de phase pure à faible teneur en azote seront préparés, caractérisés et évalués dans les applications pertinentes
Le domaine de l'énergie, et notamment la décarbonation du secteur, nécessite des nanomatériaux apportant une alternative aux métaux nobles, alliages de terre rares, ou à base de cobalt, éléments sous tension actuellement. Les nitrures de fer représentent une solution pertinente sur laquelle peu d'équipes de recherche travaillent actuellement en raison de la difficulté à contrôler la composition et la structure finale à l'échelle nanométrique avec les procédés actuels.