De meilleurs matériaux pour l’hydrogène vert : percer les secrets des photocatalyseurs de BiVO₄ à l'échelle nanométrique pour produire de l'hydrogène vert

Ce projet s’inscrit dans un contexte de transition énergétique et vise à contribuer au développement de carburants durables. Les personnes candidates auront l’occasion de développer des compétences avancées en chimie des matériaux et d’obtenir une expertise de pointe en instrumentation in situ dans un environnement interdisciplinaire. Ces compétences applicables dans le domaine de l’énergie et des semiconducteurs ouvrent des opportunités de carrière dans le milieu académique et dans l’industrie.

Objectif : Concevoir des photocatalyseurs plus actifs pour l’évolution de l’oxygène en obtenant une nouvelle compréhension de la recombinaison de porteurs de charge grâce à l’utilisation de méthodes avancées de nanospectroscopie in situ.

L’hydrogène vert, obtenu à partir d’énergie lumineuse et d’eau, est un carburant renouvelable prometteur pour le stockage d’énergie électrique et un produit de base utilisé dans l’industrie (chimie, métallurgie, sidérurgie). L’évolution de l’oxygène est la réaction limitante dans la synthèse d’hydrogène par hydrolyse de l’eau. Les catalyseurs photoélectrochimiques pour l’évolution de l’oxygène devraient être peu coûteux (sans métaux précieux), actifs et stables.

L’étudiant·e sélectionné·e étudiera le vanadate de bismuth (BiVO4) et le MoS2, des semiconducteurs prometteurs pour la photocatalyse électrochimique. Leur performance est limitée par la recombinaison des porteurs de charges (électrons e⁻ et trous h+) qui ne parviennent pas au site de réaction. Nous utilisons la lumière émise par la recombinaison des électrons et trous (la photoluminescence, PL) pour localiser les sites où ont lieu les pertes dans le BiVO4. En combinant la PL avec un microscope à force atomique (AFM), nous allons pouvoir localiser ces sites avec une précision de ~10 nm, une méthode appelée tip enhanced photoluminescence (TEPL). Armé de cette nouvelle compréhension, nous pourrons optimiser la synthèse et la géométrie des catalyseurs pour améliorer leur performance et leur durée de vie.

Travaux prévus dans le cadre de ce projet de doctorat :
A. Synthèse de films de BiVO4 et de jonctions BiVO4/MoS2. L’étudiant.e sélectionné.e utilisera les méthodes de synthèse de BiVO4 développées par le laboratoire Siaj1,2 pour créer des films de
Offre de doctorat en chimie – UQAM et Université de Sherbrooke
BiVO4. Le BiVO4 seul étant limité, on le combinera dans un second temps avec le MoS2, un matériau 2D qui améliorera l’activité catalytique.
B. Utilisation de la TEPL pour quantifier la recombinaison des porteurs de charge à l’échelle nanométrique dans le BiVO4 et les jonctions BiVO4/MoS2. Le travail effectué dans les points A et B permettra de créer une boucle de rétroaction : la compréhension des mécanismes de recombinaison de charges donnera des pistes pour la synthèse de catalyseurs plus actifs et stables.

L’UQAM est une université francophone située au centre ville de Montréal (Québec, Canada). Le département de chimie de l’UQAM possède des infrastructures de recherche de premier plan, incluant la plateforme NanoQAM. L’environnement de recherche à Montréal est riche, avec 4 universités de recherche et offre de nombreuses opportunités de collaborations.

Le projet se fera avec une codirection (M. Siaj) de l'Université de Sherbrooke (aussi au Québec, Canada) mais l'étudiant.e sélectionné.e sera principalement basé.e à Montréal.

• Un diplôme de maîtrise en chimie, génie chimique ou dans un domaine connexe (incluant, mais non limité à : matériaux, science de surface, physique).
• Nous encourageons fortement les candidatures de personnes ayant des parcours variés ou interdisciplinaires.
• Une expérience en photocatalyse ou en spectroscopie est un atout, mais non requise. Le projet commencera par une formation aux techniques spécialisées d’analyse et de synthèse au sein des deux laboratoires.
• Les candidat.es recherché.es devraient démontrer un intérêt pour la compréhension de la chimie à la surface des matériaux ainsi qu’une motivation pour l’utilisation de méthodes de pointe permettant de repousser les limites des connaissances.
• Capacité à apprendre et à collaborer dans un environnement interdisciplinaire.