Thèse Vers des Matériaux Intelligents à Double Réponse Électrocalorique et Piézocatalytique pour des Applications Énergétiques Durables 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 L'objectif fondamental de cette thèse est de concevoir une nouvelle génération de cathodes 'intelligentes' et multifonctionnelles pour les biopiles. Ces électrodes, composées de carbone et de matériaux ferroélectriques à base de pérovskites sans plomb telles que BaTiO3 ou BZT-BCT, ainsi que d'autres solutions solides montrant des zones morphotropiques, doivent s'auto-activer de façon autonome. Concrètement, elles exploiteront les contraintes mécaniques naturelles du milieu pour générer un champ électrique interne, tout en produisant de fines variations thermiques locales via l'effet électrocalorique. Cette dynamique couplée vise à stimuler vigoureusement la cinétique de la réaction de réduction de l'oxygène à la cathode.
Il s'agira d'abord d'établir des corrélations fondamentales entre l'amplitude de l'effet électrocalorique, la réponse piézoélectrique et l'activité électrocatalytique. Le projet ambitionne ensuite de remplacer les catalyseurs coûteux à base de métaux nobles, comme le platine, par des matériaux fonctionnels abondants et auto-adaptatifs aux conditions du milieu. Il sera également crucial d'évaluer l'impact de cette synergie multiphysique sur la conversion de la charge organique des eaux usées, la durabilité et la densité de puissance du système. L'enjeu ultime est de définir des critères de conception clairs pour une nouvelle génération d'électrodes intelligentes et économiquement viables.
Dans le cadre actuel des changements climatiques et de la pénurie d'eau et de nutriments, la création de technologies pour la conversion des énergies renouvelables est devenue indispensable, en particulier la transformation de l'énergie chimique des rejets en bioélectricité [1]. À cet égard, la technologie des piles à combustible microbiennes (MFC) représente une alternative prometteuse, capable de nettoyer les effluents tout en générant de la bioélectricité. Dans ce type de réacteur, des micro-organismes naturellement trouvés dans l'environnement servent de catalyseurs aux électrodes. Cette technologie bioélectrochimique innovante peut transformer l'énergie chimique des déchets en bioélectricité grâce à des microorganismes. En effet, les résidus agricoles ou les eaux usées, riches en matière organique, peuvent être utilisés comme substrat énergétique par ces micro-organismes appelés électro-actifs (EA). Cette technologie permettrait ainsi de relier la production d'énergie au traitement et à la valorisation des déchets ou des effluents, elle représente donc une source d'énergie propre qui respecte l'environnement et protège la santé des êtres vivants. En outre, l'efficacité de cette technologie est principalement contrainte par la conception et la nature du réacteur, la température, le pH, le type et la conductivité du substrat, la variété des bactéries, la membrane échangeuse de protons et le matériau des électrodes. Les électrodes en Pt ou en Pd sont souvent employées pour la réduction de l'oxygène, mais elles sont chères et très coûteuses. Des matériaux de remplacement récents constitués d'oxydes ou de complexes métalliques associés à des liants organiques peu coûteux et biocompatibles suscitent un intérêt marqué.
De plus, les performances de ces catalyseurs (cathodes) sont inférieures à celles du Pt et pour améliorer l'activité et la sélectivité de ces matériaux, il est nécessaire de fonctionner sous une source lumineuse généralement UV-Visible (solaire). Dans cette catégorie, l'oxyde de titane (TiO2) est l'un des meilleurs photoélectrocatalyseurs en raison de sa photo-stabilité, de sa biocompatibilité et de son coût réduit [2]. Néanmoins, l'efficacité photocatalytique de ce matériau est restreinte par le nombre élevé de recombinaisons des porteurs de charges [3]. Il est important de souligner que les réactions à la surface de cette catégorie de catalyseurs se déroulent dans un espace très limité, ce qui pourrait entraîner des réactions inverses des intermédiaires. Une méthode novatrice pour pallier ce désavantage est l'emploi de catalyseurs dotés d'un champ électrique interne [4]. Dans ce cadre, les matériaux ferroélectriques et piézoélectriques se sont avérés être des candidats prometteurs étant donné qu'ils possèdent une polarisation intrinsèque permanente et stable en dessous de la température de Curie. Ces matériaux ont été perçus ces dernières années comme une nouvelle classe de photocatalyseurs pouvant remplacer les photocatalyseurs traditionnels.
Récemment nous avons démontré un lien étroit entre l'Effet electrocalorique ECE et la piézocatalyse.