Thèse Métamatériaux à Base de Matériaux Abondants sur Terre pour la Purification Durable de l'Eau et la Production d'Hydrogène H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : CIRIMAT - Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux Direction de la thèse : Christophe TENAILLEAU ORCID 0000000159359745 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 La purification de l'eau et la production d'hydrogène vert constituent deux priorités stratégiques du Pacte vert pour l'Europe. Les photocatalyseurs à base de semi-conducteurs et les dispositifs photoélectrochimiques offrent des perspectives prometteuses pour la dégradation des polluants et la dissociation de l'eau. Toutefois, la plupart des systèmes actuels les plus performants reposent sur des éléments rares, coûteux ou toxiques (par exemple Pt, Ir, Ru, Cd, Pb, In, Ga), ce qui limite leur durabilité et leur déploiement à grande échelle.
Les récentes avancées dans le domaine des métamatériaux électromagnétiques et des métasurfaces offrent des opportunités inédites de manipuler les interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique. Des architectures résonantes judicieusement conçues permettent d'amplifier considérablement les champs électromagnétiques locaux, d'accroître l'absorption de la lumière, de moduler la durée de vie des photons et d'améliorer la génération de porteurs de charge. Néanmoins, l'application des concepts liés aux métamatériaux à la photocatalyse reste largement inexplorée, en particulier lorsqu'elle se limite à des composés respectueux de l'environnement et abondants sur Terre.
Le projet de thèse proposé vise à développer une nouvelle génération de métamatériaux photocatalytiques multifonctionnels, alliant une conception électromagnétique de pointe à une chimie inorganique durable. Le projet portera sur la création de métasurfaces et de matériaux céramiques structurés capables de maximiser la captation de l'énergie solaire tout en maintenant un faible impact environnemental. Plus précisément, des métamatériaux photoniques aux propriétés inédites, issus d'une conception inverse, seront élaborés et étudiés pour la catalyse solaire. Ces métamatériaux sont des nanostructures artificielles optimisées par des algorithmes informatiques afin de maximiser l'absorption lumineuse, de contrôler les champs électromagnétiques locaux et de favoriser des réactions chimiques telles que la dissociation de l'eau et la réduction du CO. Ces systèmes s'appuient sur la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR), l'ingénierie des bandes interdites photoniques et des méthodes avancées d'apprentissage automatique pour surmonter les limites d'efficacité des photocatalyseurs conventionnels.
Le projet associe l'électromagnétisme numérique, des techniques de conception avancées fondées sur l'apprentissage automatique (ML) et l'intelligence artificielle (IA), la chimie des matériaux et la photocatalyse.
Le projet devrait aboutir à de nouveaux principes de conception pour des métamatériaux photocatalytiques, à des matériaux photoactifs durables exempts de matières premières critiques, à une meilleure captation de la lumière solaire grâce à des résonances électromagnétiques optimisées, à une efficacité accrue dans la dégradation des polluants en premier lieu et la production d'hydrogène en second, ainsi qu'à des méthodologies transférables applicables à la photocatalyse, à la photoélectrochimie et à la conversion de l'énergie solaire.
Au-delà des avancées scientifiques, le projet répond directement à plusieurs priorités stratégiques européennes, notamment l'énergie durable, l'économie circulaire, la réduction de la dépendance aux matières premières critiques et les technologies liées à la qualité de l'eau. Water purification and green hydrogen production are two strategic priorities of the European Green Deal. Semiconductor-based photocatalysts and photoelectrochemical devices offer promising prospects for pollutant degradation and water splitting. However, most state-of-the-art systems rely on rare, expensive, or toxic elements (such as Pt, Ir, Ru, Cd, Pb, In, or Ga), which limits their sustainability and large-scale deployment.
Recent advances in the fields of metamaterials and electromagnetic metasurfaces offer unprecedented opportunities to manipulate light-matter interactions at the nanoscale. Carefully designed resonant architectures enable significant amplification of local electromagnetic fields, enhanced light absorption, tuning of photon lifetimes, and improved charge-carrier generation. Nevertheless, the application of metamaterial concepts to photocatalysis remains largely unexplored, particularly when restricted to environmentally friendly and earth-abundant compounds. Design, synthesize, and shape new types of metamaterials with enhanced properties for water purification and hydrogen production.

The project will pursue four interconnected objectives:
1 - Design of electromagnetic metasurfaces for photocatalysis
Develop numerical models to design resonant dielectric and semiconductor metasurfaces capable of concentrating visible and near-infrared light within photocatalytic materials. A machine learning-assisted inverse design approach will be used to maximize optical absorption while minimizing material consumption.
2 - Development of sustainable functional materials
Synthesize photocatalytic compounds exclusively from abundant, non-toxic elements-specifically selected layered oxides and hydroxides, or nitrides containing Fe, Ti, Zn, Cu, Sn, Al, Si, Mg, or Ca. Particular attention will be paid to controlling crystal chemistry, defect engineering, and microstructure.
3 - Coupling metamaterial architectures with functional ceramics
Integrate optimized electromagnetic structures with the synthesized materials to produce hierarchical metamaterials exhibiting enhanced light trapping, increased reaction surface area, and improved charge separation. Additive manufacturing and ceramic shaping processes scalable to an industrial level will be investigated where appropriate.
4 - Demonstration for environmental and energy applications
Evaluate the developed materials for the photocatalytic degradation of organic pollutants and emerging contaminants, light-assisted water splitting, and/or solar hydrogen production.
Structure-property-performance relationships will be established through characterization combining optical, structural, and electrochemical analyses. The project combines computational electromagnetics, advanced design techniques based on machine learning and artificial intelligence (ML/AI), materials chemistry, and photocatalysis.
The first part will focus on electromagnetic simulations using finite element and finite difference methods, alongside advanced ML/AI-based design techniques. Resonant dielectric nano-antennas, Mie resonators, and all-dielectric metasurfaces will be optimized to maximize field enhancement within photocatalytic materials while minimizing optical losses.
The second part will involve developing new ceramic compounds in the form of nanoparticles and microparticles using soft chemistry methods (primarily sol-gel, hydrothermal, or solvothermal synthesis), as well as thermal treatments and controlled environments. Structural characterization will include X-ray diffraction with Rietveld refinement, electron microscopy, and spectroscopic techniques to establish a correlation between crystal structure and functional properties.
The third part will integrate these two approaches through the fabrication of structured photocatalytic metamaterials (using techniques such as spin, dip, spray, or electro-deposition, as well as directional solidification, binder jetting, or selective laser melting SLM available at CIRIMAT). Optical characterization (UV-Vis, Raman, photoluminescence), combined with electrochemical impedance spectroscopy and photocurrent measurements, will reveal how electromagnetic resonances modify charge carrier dynamics.
Finally, photocatalytic activity will be evaluated under simulated solar irradiation, using standardized degradation reactions and hydrogen production experiments. Experimental observations will continuously inform the numerical optimization, thereby creating an iterative design loop.