Sujet de thèse :
Le projet HYDROUS ambitionne d’optimiser la production d’hydrogène via l’électrocatalyse en développant des modèles moléculaires innovants pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la dissociation de l’eau dans les électrodes poreuses en carbone. En particulier, nous chercherons à coupler des approches permettant d'appliquer une polarisation et des approches d'optimisation de l'échantillonage de l'espace des configurations.
Face à l’urgence de réduire les émissions de CO₂ et de remplacer les procédés industriels polluants (vaporeformage, etc.), l’électrolyse de l’eau, bien qu’efficace, reste énergivore et nécessite une tension minimale de 1,4 V en milieu alcalin à température ambiante. En France, seulement 0,1 % de l’hydrogène produit provient de l’électrolyse, tandis que des initiatives américaines visent à abaisser son coût à 1 $/kg d’ici 2031. Le projet propose de lever les verrous scientifiques en étudiant, via des simulations moléculaires (champs de force réactifs comme ReaxFF et potentiels d’apprentissage automatique), le rôle clé de l’ancrage des ions et de la porosité dans les électrodes en carbone. Trois axes structurent la recherche :
(1) la création de modèles simplifiés de pores carbonés aux propriétés contrôlées pour analyser l’adsorption ionique et la dissociation de l’eau,
(2) l’étude de la dynamique des ions (K⁺, Na⁺, Li⁺, Cs⁺) et de la mécanique des pores sous l’effet de la tension et du pH, et
(3) la simulation directe de la dissociation de l’eau, avec calcul des barrières énergétiques et de l’énergie libre de Gibbs pour identifier les chemins réactionnels les plus favorables. Ces avancées, confrontées à des données expérimentales obtenues en collaboration avec des partenaires expérimentaux permettront de proposer des électrodes optimisées pour une production d’hydrogène plus efficace et durable. Le projet s’inscrit dans une démarche interdisciplinaire alliant chimie, physique et science des matériaux.
Contexte :
La personne recrutée integrera l'axe Milieux Divisés du Laboratoire de Mécanique et Génie Civil à Montpellier. Il s'agit d'un groupe travaillant à diverses échelles (de l'échelle nanométrique à l'échelle macro) et de façon théorique et expérimentale. Nous étudions principalement les matériaux granulaires, les ciments, etc. Le travail de thèse sera encadré par Romain Dupuis avec un suivi hebdomadaire et des réunions d'axe pour présenter les travaux réalisés.
