Ce projet serait sous la direction de : MMs Teko NAPPORN et Boniface KOKOH
Unité de recherche : IC2MP – équipe SAMCat
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
Nanocatalyseurs à base de phosphure de métaux de transition pour la production d’hydrogène
Transition metal phosphide nanocatalysts for green production of hydrogen
Début de thèse : à partir du 01/10/2025
Mots clés : Transition metal phosphides, water electrolysis, HER, OER, NAP-XPS
Résumé :
À ce jour, les catalyseurs utilisés pourl’électrolyse de l’eau, notamment pour les réactions de dégagement de l’hydrogène (HER) et de l’oxygène (OER), sont principalement basés sur des métaux nobles coûteux tels que le Pt ou l’Ir qui sont peu abondants sur terre. Les phosphures de métaux de transition (TMP) ont récemment attiré l’attention des chercheurs en raison de leur grande efficacité en tant qu’électro-catalyseurs dû à leur activité prometteuse pour l’électrolyse de l’eau, tant du côté de l’anode que de la cathode. Dans ce projet, nous développerons un système basés sur un seul type de nano-catalyseurs utilisé tant pour l’HER que pour l’OER. Nous établirons une approche durable utilisant des métaux non nobles en développant une nouvelle synthèse simple et reproductible de nanoparticules de phosphures de métaux de transition 3d (Co, Ni, Fe et leurs alliages) qui sont moins chers que les métaux nobles, et qui diffèrent par leur composition, leur taille et leur forme.
The catalysts used today for water splitting, notedly for the hydrogen and oxygen evolution reactions (HER and OER), and achieving a high current density at low overpotential are mainly based on expensive noble metals such as Pt or Ir which have a low earth abundance. Transition metal phosphide (TMPs) has recently attracted the attention of researchers because of their high efficiency as electrocatalysts. Indeed this recent interest for TMPs nanoscale materials in electrochemistry is due to their promising activity towards water electrolysis both at the anode and cathode sides. In this project, we will develop a sole type nano-catalytic system employed for HER and OER. We will establish a sustainable approach using non-noble metals by developing a new, simple, and reproducible synthesis of 3d transition metal phosphide nanoparticles (Co, Ni, Fe, and their alloys) that are cheaper than noble metals, and differ in composition, size, and shape
Contexte et problématique :
Les recherches développées à l’IC2MP s’inscrivent dans une démarche globale d’écoconception (voir : https://ic2mp.labo.univ-poitiers.fr/) qui inclut la conception et le développement de matériaux actifs pour la conversion et le stockage d’énergie. L’IC2MP dispose ainsi de l’environnement de travail (équipe de recherche, équipements, plateforme, etc…) pour la réussite de cette mission qui implique des chercheurs de l’équipe SAMCat dans le cadre du consortium. L’hydrogène est devenu le vecteur énergétique indispensable à la transition énergétique.
La production d’hydrogène pure ou vert par électrolyse de l’eau nécessite encore des recherches pour diminuer les coûts liés à son développement.
The research developed at IC2MP is part of a global eco-design approach (see: https://ic2mp.labo.univ-poitiers.fr/) which includes the design and development of active materials for energy conversion and storage. The IC2MP has the working environment (research team, equipment, platform, etc.) to ensure the success of this mission, which involves researchers from the SAMCat team as part of the PEPR H2 ANGELIC project consortium. The candidate (M/F) will work under the supervision of the project’s scientific manager at IC2MP.
Hydrogen has become the essential energy vector in for the energy transition. The production of pure or green hydrogen by water electrolysis still requires research to reduce the costs associated with its development
Description du sujet :
La lutte contre le changement climatique et la crise énergétique actuelle nécessitent le développement de ressources énergétiques durables et propres. Il est désormais bien établi que le développement de l’économie de l’hydrogène constitue une solution vitale pour contrer le réchauffement de la planète, provoqué par notre utilisation intensive des combustibles fossiles. L’un des principaux défis consiste à produire de l’H2 vert de haute pureté à partir de la division électrocatalytique de l’eau en utilisant des catalyseurs bon marché et durables.
À ce jour, les catalyseurs utilisés pour l’électrolyse de l’eau, notamment pour la réaction de dégagement de l’hydrogène (HER) ou celle de dégagement de l’oxygène (OER), et pour atteindre une densité de courant élevée à une faible surtension, sont principalement basés sur des métaux nobles coûteux tels que le Pt ou l’Ir, qui sont peu abondants sur terre. En lieu et place de l’électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEMWE), l’électrolyse à membrane échangeuse d’anions (AEMWE) utilise des nanomatériaux d’électrode à base de métaux de transition abondants sur terre. En outre, les phosphures de métaux de transition (TMP) ont récemment attiré l’attention des chercheurs en raison de leur haute efficacité en tant que matériaux d’électrode, caractérisés par une densité de charge qui renforce sa conductivité électronique.
Cette proposition de thèse s’inscrit dans le cadre du projet UNTITLED financé par l’ANR. Des nanomatériaux de TMPs à forme et taille contrôlées seront préparés et caractérisés par des techniques analytiques ex situ et/ou in situ. Les investigations électrochimiques incluront toutes celles qui permettront de comprendre l’activité des TMPs dans les réactions d’électrolyse de l’eau (HER et OER).
The fight against climate change and the current energy crisis need the development of sustainable and clean energy resources. It is now well established that a vital solution to counteracting global warming, spurred by our intensive use of fossil fuels, lies through the development of the hydrogen economy. One key challenge remains in the production of high-purity green H2 production from electrocatalytic water splitting using cheap and sustainable catalysts. To date, the catalysts used for water splitting, notedly for the hydrogen evolution reaction (HER) or Oxygen evolution reaction (OER), and achieving a high current density at low overpotential are mainly based on expensive noble metals such as Pt or Ir which have a low earth abundance. Instead of proton exchange membrane water electrolyzer, the anion exchange membrane water electrolyzer (AEMWE) uses abundant transition metal based nanomaterials as electrocatalysts. Furthermore, the transition metal phosphides (TMPs) have recently attracted attention of researchers because of their high efficiency as electrode materials.
This thesis proposal will be made belong the framework of the project UNTITLED funded by ANR. Shape controlled TMPs nanoscale materials will be prepared and characterized by ex situ and/or in situ analytical techniques. The electrochemical investigations will include all those permitting to understand the activity of the TMPs towards water electrolysis reactions (HER and OER).
Méthodologie et mise en œuvre :
Les nanomatériaux de phosphures de métaux de transition TMPs (NixCoyPz) seront synthétisés par différentes méthodes élaborées par le consortium du projet. La structure, la morphologie et la composition de ces matériaux seront mises en évidence par des techniques physico-chimiques ex situ et in situ avancées. Les résultats de ces investigations permettront de faire une corrélation entre les propriétés de surface et celles issues des études électrochimiques pendant les réactions de dégagement de H2 (HER) et de O2 (OER).
Shape and side controlled TMPs (NixCoyPz) will be synthetized by different methods elaborated by the consortium of the project. The designed nanomaterials will be characterized by advanced physico-chemical ex situ and in situ techniques to determine their structure, morphology and composition. These data will be correlated with those obtained by electrochemical investigations during HER and OER.
Profil recherché :
Le candidat (H/F) doit avoir un Master en chimie, électrochimie ou science des matériaux ou équivalent. Compte tenu de la littérature bien fournie sur les réaction HER et OER, le candidat (H/F) doit être rompu à la recherche bibliographique et à sa synthèse. Un bonne maîtrise des méthodes électrochimiques et/ou de caractérisation physico-chimique est nécessaire. Une connaissance des systèmes de conversion et de stockage électrochimiques d’énergie sera un plus.
The candidate (M/F) must have a Master’s degree in Chemistry, Electrochemistry or Materials Science or equivalent. In view of the extensive literature on HER and OER reactions, the candidate (M/F) must have experience in literature research and synthesis. Strong knowledge of electrochemical and/or physicochemical characterizing methods is required. Experience with electrochemical energy conversion and storage systems would be a plus.
Contact pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 18/05/25 :
teko-wilhelmin.napporn@cnrs.fr