26/04/2018 Offres d'emploi

Offre de Thèse 2018 - PROMES

Thèse sur la dépollution photocatalytique de l’eau sous rayonnement solaire par des nanoparticules plasmoniques au laboratoire PROMES (PROCÉDÉS, MATÉRIAUX ET ÉNERGIE SOLAIRE) à Perpignan et débutant le 1er octobre

Sujet : Dépollution photocatalytique de l’eau sous rayonnement solaire par des nanoparticules plasmoniques

Mots clés : nanoparticules, plasmons, photocatalyse, électrons chauds, modélisation, DFT.

Début de la thèse : 1er octobre 2018

Date limite de candidature : 31 mai 2018

Thématique et domaine : Photocatalyse par des nanoparticules plasmoniques. Ce projet est pluridisciplinaire, au sens où il fait appel à des outils de la physique de la matière condensée, de la chimie-physique et de la catalyse pour la compréhension des phénomènes mis en jeu.

Profil et compétences recherchées

Le candidat devra avoir une formation générale en physique et chimie, et un master dans l’un des domaines suivants : physique de la matière condensée, nanosciences, chimie théorique.
Niveau de français requis: Intermédiaire: Vous pouvez parler la langue de manière compréhensible, cohérente et avec assurance sur des sujets de la vie courante qui vous sont familiers.
Niveau d'anglais requis: Intermédiaire: Vous pouvez parler la langue de manière compréhensible, cohérente et avec assurance sur des sujets de la vie courante qui vous sont familiers.

Pour candidater, se référer au site de l’ED Energie et Environnement (https://www.univ-perp.fr/fr/menu/recherche/ecoles-doctorales/ecole-doctorale-energie-environnement/ ).

Présentation détaillée du projet doctoral

Les directives européennes cadres sur l'eau établissent une liste de micropolluants récalcitrants, présentant un risque élevé pour les écosystèmes aquatiques, et dont la destruction nécessite des traitements chimiques additionnels. Ces traitements requièrent l'ajout de réactifs chimiques ou l'activation d'un photocatalyseur par un rayonnement ultraviolet [1].

L'objectif de notre projet est de concevoir une nouvelle classe de photocatalyseurs efficaces sous lumière visible, pouvant utiliser le rayonnement solaire. Nous proposons l'utilisation de films incluant des nanoparticules d'or ou d'argent. En effet, ces dernières peuvent absorber le rayonnement visible de façon résonante, ce qui conduit à la création de champs électriques intenses au voisinage de la nanoparticule : c'est ce qu'on appelle la résonance plasmonique de surface [2]. Il a été montré que ces nanoparticules peuvent être utilisées comme photocatalyseurs pour la dégradation de polluants en milieu aqueux [3]. Le mécanisme proposé pour la conversion du rayonnement visible en énergie chimique fait intervenir des électrons, dits « électrons chauds », générés dans les nanoparticules sous l’effet de la résonance plasmonique et transférés aux molécules adsorbées à leur surface, induisant leur dégradation [4,5].

Au cours de la thèse, nous étudierons ce mécanisme à l’aide d’une approche combinant théorie et expérience. Nous analyserons le lien entre la structure des films, leurs propriétés optiques et leur efficacité catalytique, afin de guider l'élaboration de nouveaux films présentant une efficacité optimale.

Objectif et contexte: Le projet vise à comprendre les mécanismes régissant la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique par des films nanostructurés comprenant des nanoparticules d’or ou d’argent, en vue de l'optimisation de films photocatalytiques.
Contexte : Cette thèse s’inscrit dans dans le cadre de l'un des projets prioritaires de l'équipe S2N-POEM sur l'étude de la conversion de l’énergie lumineuse par des systèmes nanostructurés, et s’insère dans l'axe de recherche « Conversion, stockage et transport de l'énergie » du laboratoire PROMES.

Méthode : L’approche proposée combine des études théoriques et expérimentales. Dans la partie théorique, un modèle permettant de calculer le taux de génération et de transfert d'électrons chauds aux molécules sous l'effet de la résonance plasmonique sera développé. L'étude des propriétés optiques des nanoparticules sera effectuée à l'aide de méthodes semi-analytiques ou numériquement grâce au logiciel MNPBEM [6] ; les propriétés électroniques des molécules adsorbées à leur surface seront décrites dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité avec le logiciel GPAW [7]. Cette partie permettra de confirmer la nature électronique des processus mis en jeu et d’étudier l’effet de différents paramètres (forme des nanoparticules, effet des couplages interparticules…) sur la génération et le transfert des électrons chauds. La partie expérimentale consistera à tester l’efficacité des photocatalyseurs pour la dégradation de polluants organiques ciblés afin de valider les résultats théoriques. Les films utilisés seront des composites synthétisés au sein de l'équipe S2N -POEM [8,9] ou par des collaborateurs [10].

Résultats attendus : Les résultats des études théorique et expérimentale permettront de comprendre les mécanismes régissant la photocatalyse assistée par plasmons. Cela conduira à une optimisation des matériaux et des systèmes photocatalytiques en vue d’applications à des polluants cibles.

Contact et Encadrement : Dr. Hamid KACHKACHI (50%), Dr. Noémi BARROS (50%)

Financement et contexte matériel : Le projet s'appuie sur l'expertise de l'équipe S2N-POEM dans l'étude théorique et expérimentale des propriétés physiques des nanostructures [8,9], et de leur apport à la conversion de l'énergie. La partie expérimentale utilisera les dispositifs de caractérisation optique et de suivi photocatalytique élaborés dans l’équipe S2N-POEM lors de travaux précédents. Elle sera en outre effectuée en collaboration avec l'équipe SHPE, spécialisée dans le traitement de l'eau par des procédés d'oxydation avancée [11]

Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant : Les résultats de cette thèse seront présentés lors de conférences nationales et internationales et feront l'objet de publications dans des revues à comité de lecture. Les concepts développés pourront aboutir à la conception d'un dispositif innovant de photocatalyse susceptible de conduire au dépôt d'un brevet.

Collaborations envisagées : Des collaborations seront possibles sur différents aspects du projet (élaboration des films, étude des propriétés électroniques des molécules) avec des équipes du LNIO (Troyes) et du CEMES (Toulouse).

Ouverture Internationale : Une collaboration déjà existante avec le Dr. Andreas Trügler de l’Université de Graz (Autriche), spécialiste de la simulation des propriétés optiques des nanostructures, pourra être développée au cours de cette thèse.

Lien du sujet : http://www.adum.fr/as/ed/voirproposition.pl?matricule_prop=20879&site=adumfr

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Références bibliographiques :

[1] A. R. Ribeiro et al., Environ. Int. 75, 33–51 (2015)
[2] U. Kreibig et M. Vollmer, « Optical Properties of Metal Clusters », Springer-Verlag (1995)
[3] S. Sarina et al., Green Chem. 15, 1814-1833 (2013)
[4] P. Christopher et al., Nat. Chem. 3, 467-472 (2011)
[5] A. Manjavacas et al., ACS Nano, 8, 7630–7638 (2014)
[6] MNPBEM toolbox : physik.uni-graz.at/mnpbem/
[7] GPAW : wiki.fysik.dtu.dk/gpaw/
[8] E. Nadalet al., J. Mater. Chem. C 5, 3553-3560 (2017)
[9] E. Nadal et al., Materials 11, 351 (2018)
[10] M. Y. Khaywah et al., J. Phys. Chem. C, 2015, 119 (46), 26091–26100
[11] G. Plantard, V. Goetz. Chem. Eng. J. 252, 194-201 (2014)