Conception de photocatalyseurs multifonctionnels pour la dégradation des microplastiques par photocatalyse hétérogène seule ou assistée par un champ magnétique // Design of multifunctional photocatalysts for the degradation of microplastics by heterogeneo

La pollution plastique, sous la forme de micro- et nanoparticules difficilement dégradables, représente une contamination diffuse et persistante dont les impacts sont mesurables en termes de santé humaine, de santé des écosystèmes et de qualité des eaux et des sols [1]. En Méditerranée, il est en effet possible de trouver davantage de microplastiques (MPs) que de zooplanctons dans les zones les plus polluées [1]. Les conséquences de cette pollution insidieuse ont amené Sorbonne Université à être la première université française à être accréditée par l'agence des Nations Unies pour l'environnement (UNEP) en vue de participer aux négociations internationales sur la pollution plastique. Dans ce contexte, ce projet de thèse vise à exploiter la photocatalyse, efficace pour la dépollution [2,3], afin d'éliminer le plus efficacement possible les MPs présents dans l'eau. Cette forme de catalyse utilise la lumière pour activer un semi-conducteur (SC) et générer des paires électron/trou (e-/h+) aux potentiels d'oxydoréduction propres au SC et responsables de la formation d'espèces réactives de l'oxygène aux forts pouvoirs oxydants capables de mener à la dégradation partielle ou totale des MPs [4].

Récemment, il a été montré que la photocatalyse assistée par un champ magnétique pouvait apparaître comme une approche prometteuse pour surmonter des cinétiques de réactions lentes et améliorer les rendements [5,6]. En effet, la présence d'un champ magnétique via l'effet Zeeman, la polarisation de l'état de spin, les forces de Lorentz, ou encore la magnétorésistance peuvent améliorer la durée de vie des paires e-/h+, leur mobilité voir élargir la gamme lumineuse utilisée [7]. Bien que la photocatalyse assistée par un champ magnétique n'ait jamais été appliquée à la dégradation des MPs, elle apparaît comme une piste pour réduire les temps de dégradation [4].

Ce projet de thèse s'articulera donc autour du développement et de l'étude de photocatalyseurs avec différentes propriétés magnétiques dans l'objectif d'éliminer des déchets MPs par photocatalyse assistée par un champ magnétique de quelques milliteslas. L'objectif sera également de comprendre la dynamique des paires e-/h+ sous différents modes d'activation et d'étudier les mécanismes de dégradation, ainsi que leur dépendance aux propriétés du SC et du champ magnétique.

Dans un premier temps, le titanate de baryum sera considéré comme un matériau de référence dont l'état de spin et les propriétés magnétiques peuvent être modulés en influant sur la teneur en lacunes de titane [8]. L'objectif sera alors de corréler les propriétés, la structure et l'efficacité photocatalytique seule ou combinée avec un champ magnétique (étude préliminaire réalisée sur la dégradation d'un colorant organique puis transposée à la dégradation de MPs de polystyrène). L'étude de la dégradation des MPs constituera un effort méthodologique spécifique, reposant sur des techniques analytiques complémentaires, permettant de caractériser leur évolution physico-chimique, structurale et moléculaire, tant en phase solide qu'en solution. Grâce aux résultats obtenus, d'autres photocatalyseurs, composites entre le dioxyde de titane et des matériaux ferromagnétiques à base de fer ou à magnétorésistance négative, seront envisagés afin d'évoluer vers des solutions plus adaptées et plus respectueuses de l'environnement.

Références :
[1] Prazuck, C. (dir.) (2024). Le plastique : un poison si pratique. Sorbonne Université Presses.
[2] Marien, C. et al. Journal of Hazardous Materials 370, 164-171 (2019)
[3] Le Pivert, M. et al. Journal of Cleaner Production 318, 128447, 1-10 (2021)
[4] Paiman, S. H. et al. Chemical Engineering Journal 467, 143534 (2023)
[5] Meng, S., et al. Environmental Surfaces and Interfaces 1, 10-23 (2023)
[6] Ding, N., et al., Y. SSRN Scholarly Paper at https://doi.org/10.2139/ssrn.4834992 (2024)
[7] Wang, Z., et al. Joule 6, 1798–1825 (2022)
[8] Esther Rubavathi, P., et al. Vacuum 159, 374–378 (2019)
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Plastic pollution, in the form of micro- and nanoparticles that are difficult to break down, represents widespread and persistent contamination with measurable impacts on human health, ecosystem health, and water and soil quality [1]. In the Mediterranean sea, it is possible to find more microplastics (MPs) than zooplankton in the most polluted areas [1]. The consequences of this insidious pollution have led Sorbonne University to become the first French university to be accredited by the United Nations Environment Programme (UNEP) to participate in international discussions on plastic pollution. In this context, this thesis project aims to exploit photocatalysis, which is efficient for depollution [2,3], in order to eliminate MPs present in water as efficiently as possible. This form of catalysis uses light to activate a semiconductor (SC) and generate electron/hole pairs (e-/h+) with oxidation-reduction potentials specific to the SC, which are responsible of the formation of reactive oxygen species with strong oxidising powers leading to the partial or total degradation of MPs [4].

Recently, it has been shown that magnetic field-assisted photocatalysis could be a promising approach to overcoming slow reaction kinetics and improving yields [5,6]. Indeed, the presence of a magnetic field via the Zeeman effect, spin state polarisation, Lorentz forces, or magnetoresistance can improve the lifetime of e-/h+ pairs, their mobility, and even broaden the range of light used [7]. Although magnetic field-assisted photocatalysis has never been applied to the degradation of MPs, it appears to be a promising avenue for reducing degradation times [4].

This thesis project will therefore focus on the development and study of photocatalysts with different magnetic properties with the aim of eliminating MP waste through photocatalysis assisted by a magnetic field of a few milliteslas. The objective will also be to understand the dynamics of e-/h+ pairs under different activation modes and to study the degradation mechanisms, as well as their dependence on the properties of the SC and the magnetic field.

Initially, barium titanate will be considered as a reference material whose spin state and magnetic properties can be modulated by influencing the titanium vacancy content [8]. The objective will be to correlate the properties, structure and photocatalytic efficiency alone or in combination with a magnetic field (preliminary study on the degradation of an organic dye and then on the degradation of polystyrene MPs (< 20 µm)). The study of MP degradation will constitute a specific methodological effort, based on complementary analytical techniques, enabling the characterisation of their physicochemical, structural and molecular evolution, both in the solid phase and in solution. Based on the results obtained, other photocatalysts, composites between titanium dioxide and ferromagnetic materials based on iron or negative magnetoresistance, will be considered in order to move towards more suitable and environmentally friendly solutions.

References :
[1] Prazuck, C. (dir.) (2024). Le plastique : un poison si pratique. Sorbonne Université Presses.
[2] Marien, C. et al. Journal of Hazardous Materials 370, 164-171 (2019)
[3] Le Pivert, M. et al. Journal of Cleaner Production 318, 128447, 1-10 (2021)
[4] Paiman, S. H. et al. Chemical Engineering Journal 467, 143534 (2023)
[5] Meng, S., et al. Environmental Surfaces and Interfaces 1, 10-23 (2023)
[6] Ding, N., et al., Y. SSRN Scholarly Paper at https://doi.org/10.2139/ssrn.4834992 (2024)
[7] Wang, Z., et al. Joule 6, 1798-1825 (2022)
[8] Esther Rubavathi, P., et al. Vacuum 159, 374-378 (2019)
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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

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

397 Physique et Chimie des Matériaux

Le ou la candidat(e) doit avoir un master en chimie des matériaux ou chimie physique avec un solide bagage en chimie analytique, ou en sciences de l'environnement, avec un intérêt particulier pour la photocatalyse, les nanomatériaux et les technologies de dépollution. Il ou elle devra être capable de synthétiser et caractériser des matériaux, de maîtriser des techniques analytiques (spectroscopies, microscopies, mesures physico-chimiques) et de travailler sur des expériences combinant développement de matériaux et suivi de leur efficacité. La rigueur expérimentale, l'autonomie, l'esprit d'analyse et la capacité à rédiger et présenter des résultats scientifiques sont essentielles. Une expérience ou un intérêt pour les microplastiques et les méthodes de suivi de micropolluants constituera un atout. Des lettres de recommandation sont bienvenues.
The candidate must have a master's degree in materials chemistry or physical chemistry with a solid background in analytical chemistry, or in environmental sciences, with a particular interest in photocatalysis, nanomaterials, and pollution control technologies. He or she must be able to synthesize and characterize materials, master analytical techniques (spectroscopy, microscopy, physicochemical measurements), and work on experiments combining material development and monitoring of their efficiency. Experimental rigor, autonomy, analytical skills, and the ability to write and present scientific results are essential. Experience or interest in microplastics and methods for monitoring micropollutants would be an asset. Letters of recommendation are welcome.