Traitement de l'eau de mer pour la capture et la valorisation du CO2 via des réseaux de microélectrodes électrochimiques // Seawater Treatment for CO2 Removal and valorization via Electrochemical Microelectrode Arrays

La neutralité carbone visée par l'Union européenne à l'horizon 2050 et les recommandations du GIEC impliquent le déploiement de technologies de captage du CO₂ à grande échelle. Les océans, qui renferment environ 150 fois plus de CO₂ dissous que l'atmosphère, représentent un réservoir particulièrement attractif. Plusieurs approches électrochimiques de captage du CO₂ marin ont été proposées, mais elles reposent souvent sur de fortes variations de pH et sur l'utilisation de membranes échangeuses d'ions, soulevant des enjeux de durabilité des matériaux, de corrosion et de risques de contamination de l'environnement marin.
Ce projet de doctorat propose une approche innovante fondée sur des réseaux de microélectrodes (microelectrode arrays, MEAs) capables de générer des variations locales de pH sans additifs chimiques ni membranes polymériques. Le principe repose sur une acidification localisée à proximité de l'électrode afin de déplacer l'équilibre HCO₃⁻/CO₂ et libérer le CO₂ dissous, couplée à sa conversion électrochimique en CO. Grâce à la très faible distance entre anodes et cathodes, les flux de protons et d'hydroxydes sont spatialement confinés, ce qui permet de maintenir le pH global proche de sa valeur initiale, de limiter la précipitation de carbonates et de réduire la consommation énergétique.
Le projet vise à développer des réacteurs de flux robustes, évolutifs et économiquement viables pour l'extraction directe du CO₂ à partir de l'eau de mer, tout en minimisant la dégradation des électrodes et le relargage de contaminants. Les principaux défis scientifiques concernent le contrôle précis des gradients locaux de pH, l'optimisation des catalyseurs pour une sélectivité élevée et une faible évolution d'hydrogène, ainsi que la stabilité du système en conditions réelles de salinité.
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The carbon neutrality target set by the European Union for 2050, together with the recommendations of the IPCC, implies the large-scale deployment of CO₂ capture technologies. The oceans, which contain approximately 150 times more dissolved CO₂ than the atmosphere, represent a particularly attractive reservoir. Several electrochemical approaches for marine CO₂ capture have been proposed, but they often rely on large pH variations and the use of ion-exchange membranes, raising concerns related to material durability, corrosion, and the risk of contaminating the marine environment.
This PhD project proposes an innovative approach based on microelectrode arrays (MEAs) capable of generating local pH variations without chemical additives or polymeric membranes. The principle relies on localized acidification near the electrode to shift the HCO₃⁻/CO₂ equilibrium and release dissolved CO₂, coupled with its electrochemical conversion into CO. Thanks to the very small distance between anodes and cathodes, proton and hydroxide fluxes are spatially confined, making it possible to maintain the global pH close to its initial value, limit carbonate precipitation, and reduce energy consumption.
The project aims to develop robust, scalable, and economically viable flow reactors for the direct extraction of CO₂ from seawater, while minimizing electrode degradation and the release of contaminants. The main scientific challenges involve precise control of local pH gradients, optimization of catalysts for high selectivity and low hydrogen evolution, and ensuring system stability under realistic salinity conditions.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)

397 Physique et Chimie des Matériaux

Nous recherchons un(e) doctorant(e) très motivé(e), rigoureux(se) et enthousiaste, doté(e) d'un excellent parcours académique en chimie physique, électrochimie, génie chimique/énergétique ou chimie des matériaux. Le projet se situe à l'interface entre l'électrochimie, le développement de catalyseurs et l'ingénierie des réacteurs ; un fort intérêt pour la recherche interdisciplinaire, des mécanismes jusqu'aux dispositifs, est donc essentiel. Une solide compréhension des concepts électrochimiques (cinétique, transport de matière, processus aux électrodes), des bases de la mécanique des fluides, ainsi qu'une expérience pratique en électrochimie expérimentale sont souhaitées. Une expérience avec des outils de CAO pour la conception de cellules/réacteurs (par ex. Autodesk Fusion 360) et des compétences en programmation (par ex. Python) constitueraient un atout majeur. Le/la candidat(e) devra maîtriser l'anglais et être capable de travailler de manière autonome comme en équipe, avec de bonnes compétences organisationnelles et de communication.
We are looking for a highly motivated, rigorous and enthusiastic PhD candidate with an excellent academic track record in physical chemistry, electrochemistry, chemical/energy engineering or materials chemistry. The project sits at the interface of electrochemistry, catalyst development and reactor engineering, so strong interest in interdisciplinary research from mechanisms to devices is essential. A solid understanding of electrochemical concepts (kinetics, mass transport, electrode processes), basic fluid dynamics, and hands-on experience in experimental electrochemistry are desired. Experience with CAD tools for cell/reactor design (e.g. Autodesk Fusion 360) and programming skills (e.g. Python) would be a strong advantage. The candidate should be fluent in English and able to work independently and collaboratively, with good organizational and communication skills.