Matériaux nanocomposites d'électrodes pour la réduction électrocatalytique du CO2. // Nanocomposite materials for the electrocatalytic reduction of CO2

La conversion du CO2 en carburants et produits de synthèse carbonés suscite un grand intérêt dans le contexte énergétique et environnemental actuel. Une approche prometteuse est la réduction du CO2 par voie électrochimique pour la production de produits d'intérêts en C1 tels que le monoxyde de carbone (CO), l'acide formique (HCOOH), le méthanol (CH3OH), le méthane (CH4), mais également de produits en C2 comme l'éthanol (CH3CH2OH) ou l'éthylène (CH2CH2). Cependant, la réaction de réduction du CO2 (CO2RR) nécessite le développement de catalyseurs efficaces, sélectifs et stables, capables de fonctionner à des potentiels peu négatifs et basés sur des métaux de transition abondants sur terre [1]. Les catalyseurs hétérogènes à base de métaux de transition et leurs oxydes sont particulièrement prometteurs, car ils donnent accès à un large éventail de produits de réduction. En particulier, les catalyseurs à base de cuivre ont montré leur potentiel pour générer des produits en C2 [2-3].
Dans ce contexte, cette thèse se concentre sur le développement et la caractérisation de matériaux d'électrodes hydrides nanostructurés et sur l'évaluation de leur potentiel pour l'électro-réduction du CO2. Ces matériaux seront constitués de nanoparticules (NPs) de métaux non nobles ou d'oxydes métalliques dispersées dans une matrice polymère fonctionnalisée (Figure 1, voir pdf). Le cuivre, un métal abondant sur terre, peu coûteux et non toxique, sera utilisé de préférence en raison de sa capacité unique à faciliter la production d'une large gamme de produits de réduction du CO2, y compris les produits C1 tels que le CO, le formiate et le méthane (CH4), ainsi que les produits C2 tels que l'éthanol et l'éthylène. La polyvalence et la simplicité de la méthode de préparation des matériaux hybrides permettent également de tester facilement des mélanges de métaux (tels que le cuivre combiné à un autre métal abondant en terre) afin d'explorer de nouveaux électrocatalyseurs sous forme d'alliages, une approche prometteuse pour améliorer les performances et la sélectivité des catalyseurs [4]. Ces matériaux hybrides moléculaires/inorganiques seront préparés dans des conditions douces en utilisant une approche électrochimique originale, simple et polyvalente développée précédemment par notre équipe pour l'oxydation de l'eau [5-7].
Les groupes fonctionnels du polymère permettront l'électrogénération in situ des NP métalliques. Ces groupes peuvent également interagir avec les sites catalytiques voisins en participant à la première et/ou à la deuxième sphère de coordination, influençant ainsi la nature des intermédiaires catalytiques et la sélectivité du CO2RR [8]. La matrice polymère jouera un rôle bénéfique en favorisant la formation de nanoparticules ultra-petites (< 5 nm), qui offrent un rapport surface-volume élevé. En outre, elle améliorera la stabilité des matériaux en assurant un confinement stérique et en protégeant les nanoparticules de la dégradation et de la corrosion au cours de l'électrocatalyse.
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The conversion of CO2 into fuels and carbon-based synthetic products is of great interest in the current energy and environmental context. One promising approach is the electrochemical reduction of CO2 to produce valuable C1 compounds such as carbon monoxide (CO), formic acid (HCOOH), methanol (CH3OH), methane (CH4), as well as C2 products like ethanol (CH3CH2OH) or ethylene (CH2CH2). However, CO2 reduction demands the development of efficient, selective, and stable catalysts that can reduce CO2 at low negative potentials, ideally using earth-abundant transition metals [1]. Heterogeneous catalysts based on transition metals and their oxides are particularly promising, as they give access to a broad spectrum of reduction products. In particular, copper-based catalysts have shown potential for generating C2 products [2-3].
In this context, the objective of this thesis focusses on the development and characterization of nanostructured hydride electrode materials and to test them CO2 electroreduction. These materials will be based on non-noble metal or metal oxide nanoparticles (NPs) dispersed within a functionalized polymer matrix (Figure 1, see pdf). Copper, an earth-abundant, inexpensive, and nontoxic metal, will be preferably used due to its unique ability to facilitate the production of a wide range of CO2 reduction products, including C1 products like CO, formate, and methane (CH4), as well as C2 products such as ethanol and ethylene. The versatility and simplicity of the hybrid material preparation method also enable the easy testing of metal mixtures (such as copper combined with another earth-abundant metal) to explore new electrocatalysts in the form of alloys, a promising approach for enhancing catalytic performance and selectivity [4]. These hybrid molecular/inorganic materials will be prepared under mild conditions using an original, simple and versatile electrochemical approach previously developed in our team for water oxidation [5-7]. The polymer functional groups will be enabling the in-situ electrogeneration of metal NPs. These groups may also interact with the nearby catalytic sites by participating in the first and/or second coordination sphere, influencing the nature of the catalytic intermediates and the selectivity of the CO2RR [8]. The polymer matrix will play a beneficial role by promoting the formation of ultra-small nanoparticles (< 5 nm), which offer a high surface-area-to-volume ratio. Additionally, it will enhance the stability of the materials by providing steric confinement and protecting the nanoparticles from degradation and corrosion during electrocatalysis.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

218 CSV- Chimie et Sciences du Vivant

Master en Chimie ou chimie-physique (nanochimie, nanoscience, chimie des matériaux…). Une expérience en électrochimie, synthèse, électrocatalyse, et caractérisation de matériaux seront appréciées.
Master degree in Chemistry & Physics (nanochemistry, nanoscience, material chemistry...). An experience in electrochemistry, electrocatalysis and characterization of materials, will be appreciated.