Étude de la réactivité radicalaire interfaciale de nanostructures catalytiques à base carbone sp2-sp3 par spectroscopie optique non-linéaire par génération de fréquence-somme à deux couleurs // Study of the Interfacial Radical Reactivity of Catalytic sp2-

La catalyse joue aujourd'hui un rôle central dans la transition vers des procédés chimiques plus durables, puisqu'elle intervient dans une grande partie des transformations industrielles et environnementales. Dans ce contexte, le développement de nanostructures catalytiques efficaces, stables et basées sur des éléments abondants, capables de limiter l'emploi de métaux nobles ou de se substituer complètement à eux, constitue un enjeu majeur de la recherche actuelle. Parmi les matériaux émergents, les nanoparticules à base carbone de différentes hybridations (sp2, sp3, hybrides sp2-sp3) apparaissent comme une alternative prometteuse [Duan, 2019]. Toutefois, ces performances catalytiques sont fortement dépendantes de la chimie de surface des nanoparticules, dont la structure, les défauts et les sites actifs restent encore imparfaitement compris malgré un intérêt de recherche croissant [Ducrozet, 2021][Girard, 2025]. Dans ce contexte, ce projet de thèse vise à approfondir la compréhension de la chimie de surface et des phénomènes interfaciaux gouvernant leur réactivité en combinant spectroscopies optiques classiques (FTIR et Raman) et spectroscopies optiques non linéaires, en particulier la spectroscopie par génération de somme de fréquences à deux couleurs (2C-SFG). La SFG, intrinsèquement sensible aux interfaces, offre en effet un accès unique à la structure et à l'organisation moléculaire à la surface des nanoparticules, une information largement inaccessible aux techniques conventionnelles et qui a déjà montré son efficacité sur d'autres systèmes nanostructurés [Noblet, 2020] [Barbillon, 2025]. Grâce à cette technique, en parallèle d'autres techniques de caractérisation complémentaires, un des objectifs principaux de la thèse sera d'identifier in situ les transformations physico-chimiques induites à la surface des particules par l'action de radicaux réactifs pertinents en contexte catalytique, grâce notamment au développement d'une cellule expérimentale dédiée permettant l'analyse spectroscopique dans des conditions proches de celles de fonctionnement des catalyseurs.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Catalysis now plays a central role in the transition toward more sustainable chemical processes, as it is involved in a large proportion of industrial and environmental transformations. In this context, the development of effective, stable catalytic nanostructures based on abundant elements—capable of limiting the use of noble metals or completely replacing them—is a major focus of current research. Among emerging materials, carbon-based nanoparticles with different hybridizations (sp2, sp3, sp2-sp3 hybrids) appear to be a promising alternative [Duan, 2019]. However, these catalytic performances are highly dependent on the surface chemistry of the nanoparticles, whose structure, defects, and active sites remain poorly understood despite growing research interest [Ducrozet, 2021][Girard, 2025]. In this context, this thesis project aims to deepen the understanding of the surface chemistry and interfacial phenomena governing their reactivity by combining classical optical spectroscopies (FTIR and Raman) with nonlinear optical spectroscopies, in particular two-color sum-frequency generation (2C-SFG) spectroscopy. SFG, which is inherently sensitive to interfaces, offers unique insight into the molecular structure and organization at the surface of nanoparticles—information that is largely inaccessible to conventional techniques and has already proven effective in other nanostructured systems [Noblet, 2020] [Barbillon, 2025]. Using this technique, in conjunction with other complementary characterization methods, one of the main objectives of the thesis will be to identify in situ the physicochemical transformations induced on the particle surface by the action of reactive radicals relevant in a catalytic context, notably through the development of a dedicated experimental cell enabling spectroscopic analysis under conditions similar to those in which catalysts operate.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Etudiant·e ayant obtenu un master (ou équivalent) en chimie physique, nanosciences, concepts fondamentaux de la physique. Compétences et motivation pour : • Le travail expérimental avec des sources laser sur expériences de pointe en spectroscopie optique (linéaire et non linéaire) • Préparation de nanoparticules à chimie de surface et hybridation contrôlées selon des protocoles définis ou à améliorer • Travail propre et organisé, sens des responsabilités • Gestion efficace de son planning de travail • Travail en équipe à travers des collaborations françaises et à l'étranger • Savoir-faire en traitement et analyse de données, utilisation d'outils de modélisation propres ou apprendre à utiliser des outils nouveaux ou existants • Implication dans la vie scientifique de l'Institut avec les autres membres du laboratoire
Candidate holding a Master's degree (or equivalent) in physical chemistry, nanoscience, or fundamental physics. Skills and motivation for: • Experimental work using laser sources in advanced optical spectroscopy experiments (linear and nonlinear) • Preparation of nanoparticles with controlled surface chemistry and hybridization following established protocols or improving existing ones • Organized and careful laboratory work, with a strong sense of responsibility • Efficient management of one's work schedule • Teamwork through collaborations in France and internationally • Data processing and analysis, including the use of modeling tools or the ability to learn and implement new or existing tools • Active involvement in the scientific life of the Institute alongside other laboratory members