Développement d’aérogels hybrides pour la capture et la conversion de CO2

L’accroissement drastique de la production de CO₂, le majeur gaz à effet de serre, est à l’origine de sérieux problèmes environnementaux tels que le réchauffement climatique de la planète, l’acidification des océans ainsi que des conditions météorologiques extrêmes qui préoccupent de plus en plus le monde entier. Face à cet impact environnemental du CO_2, il apparait crucial et urgent de mettre au point de nouvelles solutions adéquates et écoresponsables. L’exemple des matériaux adsorbants poreux capables de capturer sélectivement le CO₂ est à ce titre très intéressant et fait l’objet d’une attention particulière ces dernières années.

Toutefois, après son piégeage, le CO₂ nécessite d’être désorbé afin de régénérer l’adsorbant et est, par conséquent, relargué dans l’atmosphère. Cela entraine, d’une part, une forte consommation d’énergie puisque la désorption est souvent réalisée par une étape longue de chauffage. D’autre part, le CO₂ relargué doit être soit séquestré dans des réservoirs géologiques ou encore transformé en molécules carbonées à haute valeur ajoutée tels que le méthane, le méthanol, et l’acide formique.

L’utilisation de ces adsorbants poreux comme plateformes pour l’immobilisation de nano-objets dotés de propriétés catalytiques permettrait la conversion par réduction catalytique du CO₂ préalablement capturé. 

C’est dans ce contexte que s’inscrit ce projet de recherche qui vise à développer par une procédure simple et respectueuse de l’environnement, des matériaux innovants ultraporeux à dualité de fonction, extrêmement légers et à haute surface spécifique dits aérogelshétérostructurés conciliant une forte interaction et sélectivité vis-à-vis du CO₂, des propriétés photocatalytiques conduisant à un taux de conversion élevé de ce dernier et une bonne tenue mécanique et thermique compatible avec leur régénération et réutilisation. Afin d’atteindre ces objectifs, il est envisagé de préparer des aérogels hétérostructurés par combinaison d’un biopolymère (le chitosane), de graphène et/ou d’argile, et de nanoparticules d’oxydes métalliques tels que le ZnO, CdS et GaAs. Afin de permettre des interactions fortes entre la matrice polymère riche en fonctions amine, connues pour leur haute affinité avec le CO₂, et les nanoparticules de graphène et d’argile qui conféreront une résistance mécanique améliorée, la première étape de ce projet sera dédiée à la modification chimique de surface de ces particules par des procédés écocompatibles. Une étude de l’effet de l’ajout d’un co-catalyseur comme les nanoparticules de Cu, de Pd, de NiO sur la conversion de CO₂ sera menée dans un deuxième temps.

Une étude approfondie des relations entre la structure de ces matériaux et leurs propriétés finales sera réalisée en mettant en œuvre plusieurs techniques de caractérisation physico-chimiques telles que la microscopie électronique à balayage, l’adsorption/désorption d’azote, la spectroscopie photoélectronique à rayons X, la diffraction des rayons X, la compression uniaxiale, l’analyse thermogravimétrique.

          Une des originalités de ce projet de recherche repose sur le développement de nouveaux matériaux polymères hiérarchisés et à dualité de fonction, permettant d’une part, la capture du CO₂ et d’autre part, sa conversion en molécules organiques d’intérêt pour les secteurs de la chimie et de l’énergie.

L’Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE) est une Unité mixte de recherche (UMR 7182) du CNRS et de l’Université Paris-Est Créteil (UPEC). L'ICMPE développe une recherche originale et innovante dans les domaines de la chimie et de la science des matériaux, ainsi qu’aux interfaces avec la physique, l’ingénierie et la biologie, de manière à répondre aux grands défis sociétaux dans les thématiques transverses de l’énergie, le transport, l’environnement, le développement durable et la santé.

Le (ou la) candidat(e) devra avoir des connaissances solides dans les domaines de la chimie et de la physico-chimie des matériaux, des polymères et un intérêt pour les questions environnementales est souhaitable. Le (ou la) candidat(e) doit avoir de bonnes capacités de communication, une ouverture d’esprit au travail dans une équipe pluridisciplinaire et un dossier de très bonne qualité.