Les nanoparticules de type core-shell (fig.1) sont une classe de matériaux nanostructurés qui ont récemment reçu une attention accrue en raison de leurs propriétés intéressantes et de leur large gamme d’applications en catalyse, en biologie, en chimie des matériaux et pour les capteurs. En ajustant les propriétés du cœur et de l’enveloppe de ces matériaux, une gamme de nanoparticules core-shell peut être produite avec des performances accrues dans divers processus catalytiques et offrir des solutions durables aux problèmes énergétiques actuels.1 Cependant la quantification des phénomènes d’adsorption, de diffusion et catalytique reste difficile à évaluer sur ce type de matériaux complexes en utilisant des techniques de caractérisation classiques.
Figure 1: Different core/shell nanoparticles: (a) spherical core/shell nanoparticles; (b) hexagonal core/shell nanoparticles; (c) multiple small core materials coated by single shell material; (d) nanomatryushka material; (e) movable core within hollow shell material.2
Le Laboratoire Catalyse et Spectrochimie (LCS) est un laboratoire reconnu au niveau international pour ses recherches dans le domaine de la caractérisation des catalyseurs et des matériaux via l’utilisation de spectroscopies vibrationnelles, en particulier en conditions de fonctionnement « operando« . Initialement spécialisées dans l’analyse des catalyseurs, les thématiques du laboratoire se sont peu à peu étendues, entrainant une diversification des types de matériaux étudiés (matériaux nouveaux et hybrides, adsorbants, membranes, matériaux pour les applications énergétiques, …) et des conditions opératoires (basse et haute pression, produits corrosifs, présence d’eau …). Ce projet vise à obtenir de meilleures connaissances des mécanismes d’adsorption, de diffusion et de catalyse mis en jeu dans des matériaux type core-shell via le développement de nouvelles approches méthodologiques en spectroscopies vibrationnelles apparues récemment au Laboratoire. Cette étude va donc s’appuyer sur des équipements uniques développés au LCS :
– L’AGIR3 et l’AGIR+ sont deux outils scientifiques uniques et spécifiques au LCS qui combinent deux techniques complémentaires : l’aspect qualitatif de l’IR couplé à l’aspect quantitatif de l’ATG (analyse thermogravimétrique). Ils permettront d’accéder aux capacités d’adsorption de chaque type de matériaux sous environnement contrôlé via la détermination de coefficients d’extinction molaires. L’AGIR+ est un outil en cours de réalisation au laboratoire qui associe pour la première fois spectroscopie IR et microbalance à suspension avec couplage magnétique afin de réaliser des expériences sous vide et sous pression (budget 300 k€). La mise au point de cet outil sera une partie importante du début de thèse et permettra à l’étudiant de se familiariser avec la spectroscopie IR.
– La cellule IR Carroucell sera utilisée pour déterminer simultanément les isothermes optiques d’adsorption de 11 matériaux afin d’évaluer l’influence de paramètres structuraux des core-shell (taille, épaisseur, composition, porosité, nature des sites, …) sur les phénomènes d’adsorption.
– La cellule Jumpipe sera utilisée pour évaluer les paramètres de diffusion.
– La méthodologie IR operando4 sera utilisée pour évaluer l’activité catalytique des matériaux core-shell.
– Les phénomènes de diffusion ou de catalyse très rapides seront étudiés à l’aide d’un nouveau spectromètre infrarouge laser ultra rapide en cours de développement au LCS.
Les matériaux pourront être synthétisés au sein du laboratoire et/ou fournis via un partenariat scientifique initié lors de la participation de l’équipe de recherche à plusieurs projets Européens du 6eme et 7eme programme cadre relatifs à la synthèse de matériaux innovants et à leur caractérisation (projets Desanns (2006-2010), Macademia (2009-2013) et M4CO2 (2013-2017)).
L’oxydation du monoxyde de carbone sur des matériaux core-shell de type Pt/SiO2@Zéolithe sera le système catalytique qui servira de base à l’étude. L’influence de la présence d’eau et d’hydrocarbures d’encombrement stérique variable sur les paramètres d’adsorption, de diffusion et catalytiques sera évaluée. Des core-shell à base de matériaux nanoporeux type MOF (Metal-Organic Framework) seront également étudiés en raison de leurs propriétés intéressantes et de leur intérêt grandissant dans les processus industriels.
1 Q. Zhang, I. Lee, J. B. Joo, F. Zaera and Y. Yin, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1816–1824
2 R. G. Chaudhuri, Santanu Paria, Chem. Rev., 2012, 112 (4), 2373–2433
3 M. El-Roz, P. Bazin, T.B. Čelič, N.Z. Logar, F. Thibault-Starzyk, J. Phys. Chem. C, 2015, 119, 22570−22576
4 M. El-Roz, P. Bazin, M. Daturi, F. Thibault-Starzyk, Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 11277-11283
Salaire Net
environ 1462 €/mois (contrat CDD de 36 mois)
Période
du 1 octobre 2018 au 30 septembre 2021
Diplôme
Master en chimie ou chimie-physique
Connaissances appréciées
méthodes d’analyse des matériaux (FTIR, ATG, DRX, BET, …)
Être autonome et avoir un esprit d’innovation
Directeur de thèse
VIMONT Alexandre
02 31 45 13 47
Co-encadrant
BAZIN Philippe
02 31 45 13 47
Laboratoire
Laboratoire Catalyse et Spectrochimie
ENSICAEN / Université de Caen / CNRS
6 bd du Maréchal Juin
14050 CAEN, France
https://www.lcs.ensicaen.fr
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