Description

L'hydrogène (H₂) est actuellement présenté comme un vecteur énergétique réaliste, mais il souffre d'un manque de solutions de stockage à long terme. L'ammoniac (NH₃) offre des avantages intéressants en termes de densité énergétique et est considéré comme une alternative. L'objectif du projet PEPR CATANA-2 est d'identifier de nouveaux catalyseurs pour la synthèse et la décomposition de l'ammoniac. Dans le cadre de ce projet, nous recherchons un doctorant pour développer une caractérisation in situ et operando des différents catalyseurs qui seront testés et modélisés par les autres partenaires. L'objectif est d'accéder à la structure des différents catalyseurs dans des conditions de réaction réelles et d'étudier leur structure électronique. À terme, une relation entre la structure électronique des catalyseurs et leurs performances dans la synthèse et/ou le craquage de l'ammoniac permettrait de concevoir de nouvelles formulations catalytiques.

Certaines de ces caractérisations peuvent être réalisées à l'échelle du laboratoire à l'UCCS de Lille, notamment la spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) ainsi que par spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) grâce à notre spectromètre de laboratoire récemment acquis. Des techniques plus avancées sont disponibles à la source de lumière synchrotron SOLEIL. Par exemple, la spectroscopie d’émission de rayons X (XES) peut être utilisée pour élucider la structure électronique et l'état de spin des métaux de transition, tandis que les transitions valence-coeur (VtC) fournissent des informations sur les bandes de valence des solides, permettant une détermination précise de la structure électronique. De plus, la spectroscopie XAS à détection de fluorescence partielle à haute résolution énergétique (HERPFD-XAS) permet d'étudier de manière sélective les métaux présentant différents états d'oxydation au sein d'un mélange. Enfin, la diffusion Raman par rayons X (XRS) est une technique puissante mais peu utilisée qui permet d'étudier l'environnement des éléments légers à l'aide de rayons X durs, et ce dans des conditions in situ.

Toutes ces techniques de caractérisation avancées serviront dans un premier temps à caractériser les catalyseurs utilisés pour le craquage de l'ammoniac. Ces catalyseurs sont constitués de métaux de transition 3d (Fe, Co, Ni) fixés sur un support d'alumine ou de silice. Le métal de transition peut être activé par des métaux alcalins (K, Cs). Le métal de transition est déposé sur le support par simple imprégnation sous sa forme d'oxyde. En fonction de la nature des dopants, le solide est activé sous un mélange d'hydrogène et d'azote à une température adéquate. La réaction de craquage peut alors démarrer en remplaçant le flux d'H₂/N₂ par un flux d'ammoniac. Les différentes étapes doivent être suivies avec précision et le rôle exact des dopants doit être établi. Une image claire des propriétés structurelles et électroniques des différents catalyseurs dans les conditions de réaction sera ensuite comparée aux résultats obtenus par modélisation DFT à l'ICGM (Montpellier) et par évaluation catalytique à l'UCEIV (ULCO).

Compétences requises

Les candidats doivent être titulaires d'un master en chimie, chimie physique ou physique et posséder de solides connaissances en spectroscopie. Une rigueur scientifique, une grande autonomie et de bonnes compétences rédactionnelles en anglais sont requises.

Bibliographie

A.Sfeir, C. A.Teles, H.Vezin, M.Marinova, J.-P.Dacquin, S.Laassiri, S.Royer, Catalytic Ammonia Synthesis by Supported Molybdenum Nitride: Insight into the Support Effect. ChemCatChem2025, 17, e202400494. https://doi.org/10.1002/cctc.202400494

Asma Tougerti, Pardis Simon, Charlotte Desjacques, Jean-Sebastien Girardon, Francesco Mazzanti, Silvio Pipolo, Martine Trentesaux, and Sylvain Cristol, Rethinking Electronic and Geometric Structures of Real Hydrodesulfurization Catalysts by In Situ Photon-In/Photon-Out Spectroscopy. The Journal of Physical Chemistry C 2020 124 (32), 17586-17598 DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c03429

Mots clés

Catalyse hétérogène, Spectroscopie, Rayons X, amoniac