Thèse Développement de Cathodes Ferroélectriques Multifonctionnelles pour l'Optimisation des Performances des Piles à Combustible Microbiennes Végétales H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Picardie - Jules Verne École doctorale : Sciences, Technologie, Santé Laboratoire de recherche : LPMC - Laboratoire de Physique de la Matière Condensée Direction de la thèse : Abdelilah LAHMAR ORCID 0003000315861893 Début de la thèse : 2026-11-01 Date limite de candidature : 2026-10-10T23:59:59 Ce projet de thèse vise à développer et à évaluer des cathodes ferroélectriques multifonctionnelles destinées aux piles à combustible microbiennes végétales (PMFC), une technologie émergente qui combine le traitement des eaux usées à base de plantes et la production de bioélectricité renouvelable. Les PMFC exploitent les interactions naturelles qui se produisent dans la rhizosphère, où les racines des plantes libèrent des composés organiques qui favorisent l'activité microbienne et peuvent contribuer au transfert d'électrons vers une anode. Le développement de matériaux cathodiques efficaces est donc essentiel pour améliorer les performances électrochimiques globales de ces systèmes, en particulier la réaction de réduction de l'oxygène (ORR). La recherche portera sur le couplage entre la polarisation ferroélectrique, la réponse électrocalorique, les effets piézoélectriques et l'activité piézocatalytique, dans le but d'améliorer la cinétique de l'ORR et d'optimiser la récupération d'énergie des systèmes PMFC. Une attention particulière sera accordée à l'interaction entre les propriétés des matériaux ferroélectriques et les conditions de fonctionnement des piles à combustible microbiennes à base de plantes, notamment la présence de plantes, de systèmes racinaires, de micro-organismes de la rhizosphère et de composants des eaux usées.
Ces travaux porteront sur la sélection de matériaux ferroélectriques biocompatible, puis sur leur synthèse, l'optimisation de leur composition et leur caractérisation structurelle, morphologique, électrique et fonctionnelle. Les matériaux présentant des propriétés ferroélectriques, piézoélectriques, électrocaloriques et catalytiques intéressantes seront intégrés sur des support en carbone conducteur afin de mettre au point des cathodes efficaces. Leur comportement électrochimique sera évalué à l'aide de techniques complémentaires, en mettant particulièrement l'accent sur leur activité catalytique vis-à-vis de la réduction de l'oxygène. Les cathodes optimisées seront ensuite intégrées dans des prototypes de PMFC fonctionnant avec des eaux usées et certaines espèces végétales. L'influence des matériaux développés sur les interactions plante-micro-organisme-électrode, les processus rhizosphériques, les performances électrochimiques, la production d'énergie, la stabilité opérationnelle et l'efficacité du traitement des eaux usées sera étudiée. Les paramètres liés à la croissance des plantes et à leur réponse physiologique, ainsi que les caractéristiques de la rhizosphère et des eaux usées traitées, seront également pris en compte afin d'évaluer les performances multifonctionnelles des systèmes PMFC développés.
Ces travaux de recherche seront menés dans le cadre de la collaboration PHC-Maghreb associant le Laboratoire de physique de la matière condensée (LPMC) de l'Université de Picardie Jules Verne, en France, et l'équipe « Matériaux environnementaux » du Laboratoire de spectroscopie, de modélisation moléculaire, des matériaux, des nanomatériaux, de l'eau et de l'environnement (LS3MNE) de l'ENSAM, Université Mohammed V de Rabat, au Maroc, en collaboration complémentaire avec le Laboratoire des interfaces et des matériaux avancés (LIMA) de l'Université de Monastir, en Tunisie.
Les piles à combustible microbiennes (MFCs) constituent une technologie bioélectrochimique permettant de convertir l'énergie chimique de substrats organiques en électricité grâce à l'activité de microorganismes électroactifs [1]. Parmi leurs déclinaisons, les PMFC exploitent les interactions naturelles de la rhizosphère, les exsudats racinaires alimentent une communauté microbienne qui transfère des électrons vers une bioanode, sans apport externe de substrat [2]. Ces systèmes représentent une voie particulièrement adaptée aux zones rurales isolées, combinant dépollution des eaux et production d'énergie décentralisée [3]. Cependant, les densités de puissance générées restent faibles, principalement en raison des surtensions cathodiques liées à la cinétique lente de la RRO [4]. Pour contourner le recours aux catalyseurs à base de platine coûteux et incompatibles avec les milieux biologiques des matériaux fonctionnels alternatifs sont activement recherchés. Les céramiques ferroélectriques sans plomb présentent des effets piézocatalytiques intrinsèques capables d'activer la réduction de l'oxygène sous contrainte mécanique ou acoustique [5]. Ce couplage entre polarisation ferroélectrique et catalyse électrochimique ouvre une voie originale pour développer des cathodes durables, biocompatibles et performantes pour les PMFC. L'objectif principal de ce projet est de développer des cathodes multifonctionnelles à base de matériaux ferroelectriques sans plomb pour améliorer les performances des Plant Microbial Fuel Cells (PMFCs). Le projet vise à optimiser les propriétés des matériaux et des cathodes, à étudier leur influence sur la réduction de l'oxygène et la production d'électricité, puis à optimiser la configuration des PMFCs et à évaluer l'influence de différentes espèces végétales. L'objectif final est de contribuer au développement de systèmes PMFCs performants, stables, durables et respectueux de l'environnement pour la production d'énergie renouvelable et le traitement des eaux usées.