Développement de matériaux poreux à base de zirconium pour les systèmes de stockage et de conversion d'énergie

Situé sur le site de Neuville-sur-Oise, le Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces (LPPI) regroupe une vingtaine d’enseignants-chercheurs de diverses spécialités scientifiques (polyméristes, électrochimistes, chimistes inorganiciens, physiciens des surfaces et interfaces, …), 5 membres permanents administratifs et techniques et une trentaine de membres non-permanents (post-doctorants, doctorants, …).
Fort de cette pluridisciplinarité, le LPPI développe des thématiques de recherche concernant les matériaux polymères à architecture contrôlée, les matériaux polymères conducteurs ioniques et les matériaux (macro)moléculaires semi-conducteurs et conducteurs électroniques et leur modélisation.

Thèmes scientifiques (domaines disciplinaires) : Chimie des matériaux, Électrochimie

Laboratoire universitaire : Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces (LPPI) – CY Cergy Paris Université

Compétences recherchées : chimie des matériaux et électrochimie (en particulier en électrocatalyse)

Compétences transversales : esprit critique, curiosité, capacité de synthèse et d’ouverture, travail en équipe (communication orale et écrite), autonomie, gestion du temps.

Sujet : L'objectif principal de ce projet est de trouver un moyen efficace de transformer le tétrachlorure de zirconium, produit intermédiaire dans la fabrication des éponges de zirconium chez Framatome, en matériaux efficaces pour le stockage et la conversion d'énergie.

Le/la candidat(e) s’intéresse à préparer les réseaux métal-organiques (MOF) et les nanoparticules à base de Zr supportées sur du carbone poreux. Les MOFs peuvent être obtenus en complexant Zr⁴⁺ avec des ligands organiques di/tri/tétratopiques possédant des groupes terminaux d'acide carboxylique. Grâce à une riche bibliothèque disponible de molécules organiques, différents types de Zr-MOF peuvent être obtenus. Ces matériaux seront directement utilisés en tant que matériaux actifs dans les applications cibles pour évaluer leur utilisation potentielle telle quelle, sans traitement postérieur. En tant que critères de sélection, le coût des molécules organiques, leur structure chimique et la surface spécifique des matériaux résultants seront considérés comme des paramètres clés. Le coût du précurseur est important dans cette étude car le Zr-MOF peut aussi servir de structure sacrificielle pour générer des matrices de carbone poreuses via la pyrolyse à haute température. Concernant les caractérisations, une étude morphologique (MEB), structurelle (DRX), physico-chimique (TGA, FTIR, BET) suivie de caractérisations électrochimiques seront réalisées sur les produits formés.

Pour les applications, deux réactions principales seront étudiées de près, notamment la réaction d'évolution de l'oxygène et les réactions de réduction de l'hydrogène, car elles participent au processus d’électrolyse de l'eau. Différentes techniques électrochimiques seront mises en place pour déterminer les activités catalytiques des matériaux formés, parmi lesquelles, voltammétrie, chronoampérométrie/chronopotentiométrie et spectroscopie d’impédance électrochimique seront les techniques principales. Des paramètres clés seront révélés, notamment le potentiel de déclenchement, la densité de courant, la surtension à 10 mA cm^-2, la pente de Tafel, la résistance de transfert de charge et la stabilité du système.

Dans un deuxième temps, le/la candidat(e) explorera la capacité de stockage de l’énergie de ces matériaux dans un dispositif de supercondensateur. Pour la première étude, une configuration à trois électrodes sera utilisée pour étudier les performances de stockage des matériaux d'électrode (capacitance spécifique, rétention de capacitance) avant de les assembler en une configuration à deux électrodes (dispositif). Une fois l'appareil assemblé, il sera caractérisé par des cycles de charge-décharge galvanostatique pour déterminer la capacitance spécifique du dispositif de supercondensateur ainsi que les densités d'énergie/puissance résultantes.

Ce projet de stage offre au stagiaire la possibilité de travailler dans un cadre multidisciplinaire et à l’interface entre un laboratoire universitaire et une entreprise. Il (Elle) développera ses connaissances et compétences en chimie, physicochimie des matériaux et en électrochimie/électrocatalyse/stockage de l’énergie. Le/la stagiaire participera régulièrement aux réunions d’avancement du projet et jouera le rôle d’interface entre Framatome et LPPI, ce qui renforcera ses compétences de communication. 

Encadrements du stage : Thuan Pham (CYU, MCF)

Avoir une formation en matériaux et/ou en chimie de coordination et/ou en électrochimie. 

Avoir un esprit d'équipe et avoir un sens de l'organisation et de la communication 

Être motivé