Description

Le projet de thèse, basé à l’Université de Lille au sein du laboratoire UCCS, porte sur le comportement dynamique des photocatalyseurs dans des conditions réactionnelles. Il aborde un défi majeur en photocatalyse hétérogène : la compréhension encore limitée des modifications structurales et électroniques subies par les photocatalyseurs en cours de fonctionnement. Alors que les modèles mécanistiques traditionnels considèrent souvent le catalyseur comme un matériau statique, les photocatalyseurs sont par nature des systèmes dynamiques. Ils réagissent rapidement aux variations de température, de pression, de composition gazeuse et d’illumination — autant de facteurs qui influencent fortement leur activité catalytique et leur sélectivité. Pour saisir ces processus transitoires, des études résolues en temps dans des conditions réalistes de fonctionnement sont nécessaires.
L’objectif de la thèse est de développer une méthodologie expérimentale résolue en temps utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X sous pression ambiante (NAP-XPS), en tirant parti des capacités d’un nouvel instrument NAP-XPS en laboratoire récemment installé à l’Institut Chevreul (Université de Lille). Cet équipement de pointe, le second de ce type en France après la ligne de lumière TEMPO du synchrotron SOLEIL, permet des investigations en conditions opérando de la chimie de surface.
Comme système modèle, les recherches porteront sur un photocatalyseur composé de trois composants : le zinc (en tant que site métallique actif), l’acide tungstophosphorique (un polyoxométalate jouant un rôle dans le transfert d’électrons), et l’oxyde de titane (un semi-conducteur absorbant la lumière). Ce catalyseur hybride a montré d’excellentes performances dans deux réactions de référence : la réduction photocatalytique sélective du CO₂ en CO en présence d’eau, et l’oxydation du CH₄ en CO.
Les mesures de NAP-XPS résolues en temps permettront d’identifier la structure et la nature des sites actifs, de suivre la formation des espèces intermédiaires, ainsi que l’évolution du catalyseur et sa désactivation éventuelle pendant son fonctionnement. Au-delà de l’identification chimique, la méthodologie permettra de caractériser les cinétiques réactionnelles et les échelles de temps associées à des processus concurrents se produisant sur une même surface, offrant ainsi une compréhension fine de l’origine de la sélectivité en conditions dynamiques. Les résultats de ce travail contribueront à faire progresser les techniques de spectroscopie opérando et soutiendront la conception rationnelle de photocatalyseurs plus efficaces pour des transformations chimiques durables.

Compétences requises

Nous recherchons un(e) candidat(e) très motivé(e) ayant : • Un Master (ou équivalent) en chimie, science des matériaux ou un domaine connexe. • Des connaissances en science des surfaces ou techniques de spectroscopie.

Bibliographie

Shavorskiy, A.; et al. Time-Resolved APXPS with Chemical Potential Perturbations: Recent Developments at the MAX IV Laboratory. Synchrotron Radiat News 2022, 35, 4–10.

Knudsen, J.; et al. Stroboscopic Operando Spectroscopy of the Dynamics in Heterogeneous Catalysis by Event-Averaging. Nat. Comm. 2021, 12, 6117.

Silly, M. G et al. Pump-Probe Experiments at the TEMPO Beamline Using the Low-α Operation Mode of Synchrotron SOLEIL. J Synchrotron Radiat 2017, 24, 886–897.

Mots clés

catalyse héterogène, NAP-XPS, résolu en temps, mecanisme réactionnel