Thèse Optimisation des Décharges à Barrière Diélectrique pour une Synthèse Plasma-Catalytique Durable de l'Ammoniac H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Laboratoire de recherche : LAPLACE - Laboratoire PLAsma et Conversion d'Énergie Direction de la thèse : Nicolas NAUDE ORCID 0000000285344114 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-16T23:59:59 La synthèse industrielle de l'ammoniac (NH), principalement réalisée via le procédé Haber-Bosch, est un pilier de l'agriculture moderne et de l'industrie chimique. Cependant, ce procédé, responsable de 1 à 2 % de la consommation énergétique mondiale et d'une part significative des émissions de CO, pose un défi majeur dans le contexte de la transition écologique. Les plasmas non thermiques, couplés à des catalyseurs hétérogènes, émergent comme une alternative prometteuse pour une production décentralisée et durable, compatible avec l'utilisation d'énergies renouvelables intermittentes. Pourtant, leur efficacité reste limitée par une compréhension incomplète des mécanismes physiques et chimiques régissant les interactions entre le plasma et les surfaces catalytiques.
Cette thèse, co-dirigée par Nicolas Naudé (Université de Toulouse, LAPLACE, France) et Tomas Hoder (INP Greifswald, Allemagne), propose d'étudier les régimes de décharge dans les réacteurs à barrière diélectrique (DBD) pour optimiser la synthèse plasma-catalytique de NH. Les décharges DBD, selon qu'elles opèrent en mode filamentaire ou diffus (APTD), présentent des propriétés radicalement différentes en termes de génération d'espèces réactives, de distribution d'énergie et d'interaction avec les catalyseurs. L'objectif est d'élucider, par une approche combinant diagnostics expérimentaux avancés et modélisation numérique, comment ces régimes influencent la chimie du plasma et l'efficacité de la synthèse.
Le travail s'articulera autour de trois axes principaux. Premièrement, une caractérisation fine des régimes de décharge sera menée dans des mélanges N/H, en fonction des paramètres opératoires (forme d'onde, fréquence, amplitude, débit gazeux). Un réacteur DBD équipé d'une électrode segmentée, développée au LAPLACE, permettra des mesures à haute résolution spatio-temporelle des courants locaux, des champs électriques et des densités de puissance. Ces données seront corrélées à la production d'espèces clés (N, H, NH) via des diagnostics TALIF et FTIR.
Deuxièmement, l'impact des surfaces catalytiques (Ru, Ni, Cu) sur la physique de la décharge et la chimie du plasma sera analysé. Leur influence sur la génération d'électrons germes, la morphologie de la décharge et les mécanismes de surface (adsorption, dissociation, hydrogénation) sera étudiée en détail. Des modèles 0D/1D/2D, incluant une description fine de la chimie plasma et des interactions surface, seront développés pour interpréter les résultats expérimentaux et identifier les conditions optimales.
Enfin, l'optimisation des conditions plasma-catalytiques visera à maximiser le rendement énergétique (objectif : 100-200 gNH/kWh), seuil nécessaire pour rivaliser avec le procédé Haber-Bosch. Des configurations innovantes, comme des réacteurs multi-étages ou des lits garnis de catalyseurs, seront explorées pour exploiter les synergies entre les régimes diffus et filamentaires.
Ce projet bénéficiera d'un environnement scientifique international, avec des collaborations étroites avec des experts en catalyse (LIKAT Rostock) et en diagnostics laser (Université Masaryk). Le·a doctorant·e aura accès à des plateformes expérimentales de pointe (réacteurs DBD instrumentés, spectroscopie laser, outils de modélisation COMSOL/MATLAB) et à un réseau collaboratif dynamique.
Le procédé Haber-Bosch, responsable de 1-2 % de la consommation énergétique mondiale, est un contributeur majeur aux émissions de CO. Les plasmas non thermiques, couplés à des catalyseurs, offrent une alternative décentralisée et compatible avec les énergies renouvelables, mais leur efficacité reste limitée par une compréhension incomplète des mécanismes fondamentaux. Les décharges à barrière diélectrique (DBD), selon leur régime (filamentaire ou diffus), présentent des propriétés distinctes en termes de génération d'espèces réactives (N, H, N*) et d'interaction avec les catalyseurs. Bien que des études récentes aient mis en évidence le rôle clé des espèces vibrationnellement excitées et des radicaux dans la synthèse de NH, leur dynamique dans les DBD reste mal maîtrisée. Les modèles existants, souvent partiels, manquent de validation expérimentale à haute résolution spatio-temporelle. Ce projet se distingue par une approche intégrée, combinant des diagnostics expérimentaux avancés (électrode segmentée, TALIF, FTIR) et une modélisation multi-échelle, pour explorer systématiquement les régimes de décharge et leurs interactions avec des catalyseurs, en vue d'optimiser la synthèse plasma-catalytique de NH. Il s'appuie sur une collaboration internationale associant des expertises complémentaires en physique des plasmas (INP Greifswald), catalyse (LIKAT Rostock) et diagnostics laser (Université Masaryk). Objectif général :
Optimiser les régimes de décharge DBD pour une synthèse plasma-catalytique efficace de NH, en combinant diagnostics expérimentaux et modélisation numérique.

Objectifs spécifiques :
- Caractériser les régimes de décharge (filamentaire vs. diffus) dans des mélanges N/H :
- Mesurer les paramètres électriques (courants locaux, champs électriques) et spatio-temporels via une électrode segmentée.
- Corréler ces régimes avec la production d'espèces réactives (N, H, NH) grâce à des diagnostics TALIF et FTIR.
- Étudier l'impact des surfaces catalytiques (Ru, Ni, Cu) :
- Analyser leur influence sur la génération d'électrons germes, la morphologie de la décharge et les mécanismes de surface.
- Développer des modèles 0D/1D/2D pour décrire les interactions plasma-catalyseur.
- Optimiser les conditions plasma-catalytiques :
- Maximiser le rendement énergétique (objectif : 100-200 gNH/kWh) en explorant des configurations innovantes .
- Identifier les paramètres critiques (densité de puissance, flux d'espèces réactives) pour une synthèse compétitive avec le procédé Haber-Bosch.
Pour atteindre les objectifs fixés, cette thèse adoptera une double approche expérimentale et numérique. D'un côté, un réacteur DBD plane-parallèle équipé d'une électrode segmentée sera utilisé pour caractériser les régimes de décharge (filamentaire et diffus) avec une résolution spatio-temporelle inédite. Des diagnostics électriques (mesures de courants et tensions locaux) et optiques (caméra ICCD, spectroscopie d'émission) seront couplés à des techniques avancées comme la spectroscopie TALIF (pour quantifier les densités de N et H) et la FTIR (pour analyser la production de NH et d'intermédiaires réactionnels). Des catalyseurs à base de ruthénium, nickel et cuivre seront intégrés dans le réacteur pour étudier leur impact sur la génération d'électrons germes, la morphologie de la décharge et les mécanismes de surface. D'un autre côté, une modélisation multi-échelle (0D, 1D et 2D) sera développée à l'aide de logiciels comme COMSOL et MATLAB pour simuler la dynamique des décharges, la chimie plasma et les interactions avec les surfaces catalytiques. Ces modèles seront validés par comparaison avec les données expérimentales et permettront d'explorer des conditions opératoires inaccessibles expérimentalement.

Master en physique des plasmas, chimie physique ou génie des procédés. Une expérience en diagnostics optiques/électriques ou en modélisation serait un atout. Autonomie, rigueur et aptitude au travail en équipe internationale sont essentielles.

• Travail en équipe
• Autonomie
• MATLAB
• Chimie