Nanostructures d’oxyfluorures de Bismuth comme photocatalyseurs pour la conversion du CO2 et la production de nouveaux vecteurs énergétiques

Placé sous la tutelle de l’Université Clermont Auvergne, du CNRS et de Sigma Clermont, l’ICCF est un institut à vocation pluridisciplinaire en Chimie regroupant 120 personnels permanents.

L’Institut de chimie développe un fort partenariat avec des grands groupes industriels et des PME/PMI. L’ICCF est doté d’outils de modélisation et de caractérisation qui s’appuient sur un parc instrumental étendu pour l’analyse des molécules et des solides, et met à disposition ses compétences et ses savoirs sur des sujets sociétaux majeurs dans trois domaines d’interface :

L’axe Chimie et Environnement focalise ses activités sur le devenir (transferts et transformations) des polluants chimiques dans les compartiments Eau/Végétation/Sol, sur l’étude bio-physico-chimique des nuages et sur le développement de procédés de production et de traitements écocompatibles utilisant les liquides ioniques ou des matériaux avancés.

L’axe Chimie et Matériaux met au cœur de ses activités l’élaboration et la mise en forme de nouveaux matériaux innovants (nanocomposites polymères-HDL, nanomatériaux fluorés, matériaux hybrides et biomatériaux, nanoparticules luminescentes, matériaux biosourcés, polymères) et l’étude de leurs performances et de leur durabilité pour des applications en stockage et transmission d’énergie, photovoltaïque, imagerie, traitement de surface et durabilité des polymères, détection.

L’axe Chimie pour le Vivant a ciblé la conception et l’étude du potentiel biologique de molécules (anticancéreuses ou antalgiques) et matériaux du niveau enzymatique, au niveau cellulaire jusqu’à l’animal et l’Homme en privilégiant des stratégies de synthèses performantes (biocatalyse, chimie douce, click chemistry) et des procédés innovants (biomatériaux, vectorisation pour l’imagerie, biocatalyseurs supportés, biocapteurs).

La décarbonation de l’industrie est un enjeu majeur de la transition écologique. Elle passera par une forte électrification des procédés industriels ainsi qu’une amélioration de leur efficacité. Cependant, certaines industries, telles que la métallurgie ou des cimenteries (qui représentent à l’heure actuelle 70 à 80% des émissions industrielles), continueront d’émettre du CO₂. Pour s’attaquer à ce problème, la photoconversion du CO₂ en sortie de cheminées aurait pour double intérêts la réduction les émissions de ce gaz et la production des molécules d’intérêts pour l’énergie ou la chimie. Depuis plusieurs années, à l’ICCF, le groupe MATEPP, Matériaux et Procédés Plasmas, s’intéresse aux matériaux à base de Bismuth comme photocatalyseurs pour la conversion du CO₂. Ils ont ainsi démontré qu’il était possible de former, grâce à la versatilité du procédé de pulvérisation réactive, des oxyfluorures de Bismuth à composition ajustable et de les associer en une étape à des nanodomaines métalliques pour former des hétérojonctions. Dernièrement, ces couches minces ont montré une efficacité de conversion du CO₂ du même ordre de grandeur que l’oxyde de titane (matériau de référence) mais avec une grande sélectivité pour la formation de CO, utilisable pour les carburants de synthèse.

Dans le cadre du projet ANR BiBOP, nous cherchons maintenant à nanostructurer ces matériaux grâce à des procédés compatibles avec la pulvérisation réactive, pour en renforcer la réponse photocatalytique. Parmi les deux techniques explorées dans le projet, la pulvérisation réactive sur liquide est une méthode très originale, bien maîtrisée à l’ICCF, qui permet de former des nanoparticules de photocatalyseurs dispersables ensuite sur des supports poreux. L’objectif du stage sera d’investiguer plus en profondeur l’impact des paramètres de synthèse sur les matériaux obtenus, leur morphologie, ainsi que leurs propriétés optiques et leur performance photocatalytiques. La ou le stagiaire aura ainsi en charge la caractérisation des matériaux par les nombreuses techniques d’analyse disponibles sur le site clermontois (spectroscopies IR et Raman, DRX, SAXS, MET, MEB, XPS …). Elle ou il fera ensuite le lien entre cette caractérisation structurale et microstructurale, et les propriétés optiques (spectroscopie d’absorption UV-visible, ellipsométrie spectroscopique) des matériaux et évaluera les performances de photodégradation de polluants dans l’eau. Dans le cadre de l’ANR BiBOP, ce travail pourra en outre bénéficier de techniques de caractérisation avancée disponible à l’IMN (Nantes). Enfin, les matériaux les plus prometteurs pourront être évalués à l’IFPEN (Solaize) pour leurs performances de photoconversion du CO₂.

La ou le candidat à ce stage devra avoir une formation en Sciences de Matériaux ou Chimie des Matériaux. Une première expérience dans le domaine des procédés plasmas serait un plus. La ou le candidat devra être autonome et curieux afin d’aborder les différents aspects de cette thèse (procédé plasma, caractérisation matériaux, propriétés photocatalytiques) et être capable de travailler en interaction avec les différents partenaires de ce projet collaboratif. De plus, elle/il devra faire preuve d'une excellente aisance au partage des connaissances en français et en anglais.