Thèse Catalyseurs Nanostructurés pour la Production Électrocatalytique Durable d'Hydrogène H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : LCC - Laboratoire de Chimie de Coordination Direction de la thèse : Karine PHILIPPOT ORCID 000000028965825X Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-12-31T23:59:59 Ce projet est une contribution à la transition énergétique que notre société doit mener à bien pour faire face au changement climatique, conséquence d'une demande énergétique mondiale en constante augmentation. Il porte sur l'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène, une source d'énergie prometteuse, que ce soit pour une utilisation directe en tant que combustible ou pour la production de carburants. Dans le domaine de l'aéronautique, l'hydrogène est considéré comme une source alternative d'énergie clé pour décarboner l'aviation, selon deux modes d'utilisation : pile à combustible (transformation de l'hydrogène en électricité pour des moteurs électriques) et combustion directe dans les turboréacteurs, pour des applications dans des avions de petites et grandes dimensions, respectivement.
En outre, ce projet proposer de pallier les limites liées à l'utilisation d'eau purifiée et aux conditions extrêmement acides ou basiques des technologies PEM (membrane à échange de protons) et AEM (membrane à échange d'anions, en développant des systèmes électrocatalytiques capables de fonctionner directement avec des sources d'eau non conventionnelles telles que les eaux usées ou l'eau de mer. Le défi de recherche est double, portant à la fois sur les enjeux énergétiques -pour des applications en aéronautique, et hydriques, afin de permettre une production d'hydrogène durable tout en contribuant à la gestion des ressources en eau.
L'électrolyse de l'eau provenant de sources non purifiées soulève des problèmes scientifiques majeurs : (1) la réaction d'évolution du chlore (CER), en particulier dans l'eau de mer en raison de la présence d'espèces chlorées comme le NaCl, qui entre en concurrence avec la réaction d'évolution de l'oxygène (OER) et produit du chlore corrosif et toxique ; (2) l'empoisonnement du catalyseur résultant de la présence d'impuretés telles que des sulfures, des composés organiques ou d'autres métaux ; et (3) la précipitation de sels insolubles, tels que des carbonates ou des hydroxydes, sur les électrodes.
Pour relever ces défis, le projet se concentrera sur la conception d'électrocatalyseurs innovants à base de nanoparticules de métaux de transition non critiques (Ni, Fe, Co), spécialement conçus pour favoriser la sélectivité cinétique en faveur de l'OER par rapport à la CER, tout en conservant une activité catalytique élevée et une grande robustesse. La nanostructuration des métaux présente des avantages clés : un rapport surface/volume élevé conduisant à un grand nombre de sites actifs, une réduction de la charge en métal et une adaptabilité de la surface grâce à la fonctionnalisation. Ces caractéristiques permettent d'améliorer les performances catalytiques et la résistance à l'empoisonnement. Outre l'étude de la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER) à la cathode, un second objectif consistera à évaluer ces nanomatériaux dans des réactions d'oxydation alternatives à l'OER à l'anode, notamment l'oxydation de polluants organiques (par exemple l'urée, les sulfures, les alcools). L'ambition est de réduire la consommation d'énergie de l'ensemble du processus d'électrolyse pour la production d'hydrogène vert à la cathode tout en dégradant des polluants de l'eau à l'anode.
Ce projet est multidisciplinaire : nanochimie, science des matériaux, ingénierie des catalyseurs, électrochimie, chimie de l'environnement et énergie. Il vise à faire le lien entre la compréhension fondamentale des performances catalytiques et le développement d'un électrolyseur d'eau fonctionnant dans des conditions réalistes. Le projet se prête à un doctorat conjoint entre deux groupes universitaires dynamiques (expertise en nano-ingénierie, caractérisation de nanomatériaux par des techniques avancées, électrocatalyse, applications).
The recruited PhD student will be enrolled at both the University of Toulouse, France (UT) and the Autonomous University of Barcelona, Spain (UAB) in the frame of existing cotutelle thesis agreement, allowing to get a dual doctoral degree.
The PhD training will be closely guided by the co-supervisors from the two sites, as well as by the doctoral programs of the two doctoral schools, at UT and UAB. The PhD fellow will profit from the knowledge and know-how of two dynamic and complementary groups, Engineering of Metal Nanoparticles-EMN group at LCC-CNRS-UT and SelOxcat group at UAB. Participating in a multidisciplinary project in an international setting will provide invaluable research experience and allow you to acquire not only scientific skills but also strong transferable skills.
The PhD fellow will work on the bottom-up synthesis of metal nanoparticles and their characterization by state-of-the-art techniques (TEM, HRTEM, EDX, XPS, XRD, IR, RAMAN ...). The use of glovebox and Schlenk line techniques will be a routine. The synthesis of nanoparticles is an expertise of the EMN group at (LCC-CNRS-Toulouse). Electrochemical characterization of the obtained nanomaterials and their application in electrocatalysis will be another challenge of the project, for which the international partnership with SelOxCat group at UAB will be profitable. All in all, the PhD candidate will acquire a multidisciplinary profile in two dynamic and complementary academic environments.
In addition, the PhD student will have the opportunity to do a short internship in a company to discover research activities in a private sector.
The SUSTAINELEC project is a multidisciplinary project that is fully aligned with the theme Accelerating sustainable transitions in the areas of mobility, energy, resources, and industrial transformations, as it aims to contribute to the development of hydrogen technologies as an energy carrier, notably for decarbonizing aviation, without resorting to the electrolysis of pure water, and by using catalysts that do not contain critical metals, as follows:
- 1) Energy pillar
Hydrogen is a promising vector of energy either by direct use or as a feedstock for fuel production, with a wide range of potential applications, including the decarbonization of the aviation sector. However, current hydrogen production still relies on fossil fuels and energy-intensive processes, that are far from environmentally sustainable. Any advances enabling the large-scale production of hydrogen from water would thus greatly contribute to the energy transition required to address climate change while meeting the ever-expanding global energy demand. However, water availability and quality can be critical for the sustainable deployment of hydrogen energy technologies. Hydrogen production through water electrolysis requires low temperature electrolysis devices like PEM (proton exchange membrane) and more recently AEM (anion exchange membrane) electrolyzers. Although high performances can be achieved, the need of purified water, extreme pH conditions and noble-metal catalysts raises concerns about the applicability of these technologies in water-stressed regions, potentially limiting the widespread adoption of hydrogen as energy vector.
- 2) Water concerns
The use of less-conventional water sources such as seawater and wastewater for hydrogen production, would be a key progress reducing the dependence on purified water while contributing to water depollution. However, the electrolysis of water from unconventional sources such as seawater and wastewater introduce several scientific challenges. The competition of the oxygen evolution reaction (OER) with the chlorine evolution reaction (CER) together with the subsequent electrode corrosion and catalyst poisoning by impurities (sulfides, organics, metal ions, insoluble salts) are among the main issues. To address these challenges, it is necessary to develop selective and robust catalysts.
- 3) Metal resources
The use of noble metals in various catalytic applications, including water electrolysis, is a bottleneck due to the decrease of their resources making higher rarity and consequently higher cost. This is a key-point in the development of technologies for industrial transformation. The alternative is to find solutions among non-noble metals, by innovating in the development of catalysts and investigating their catalytic performance and stability compared to analogues with noble metals. Another solution is to improve catalytic performance by increasing the active surface area (higher ratio of active sites) through nanostructuration of metals which enable to use less quantities.
Scientific goals:
In order to go forward in the sustainable electrocatalytic production of hydrogen, the SUSTAINELEC project will explore the use of first-row transition metal-based nanoparticles (Ni, Fe, Co) to enhance the electrocatalytic activity as the result of their high surface/volume ratio, tunability by surface functionalization and tolerance to contaminants. Another aim is to replace the oxygen evolution reaction, which is a bottleneck in the water-splitting process, with a thermodynamically easier oxidation reaction such as the degradation of organic pollutants (urea, sulfides or alcohols). This alternative offers a promising strategy to reduce the energy consumption while simultaneously treating wastewater.
The goal of this project is therefore to contribute to the development of a sustainable technology for hydrogen production, using catalysts based on non-critical metals and using wastewater resources, which represents a major advance. The ultimate goal is to develop a robust, low-temperature membrane electrolyzer prototype capable of operating under real-world conditions while ensuring environmental sustainability. Such a breakthrough would contribute to the decarbonization of aviation, where hydrogen is regarded as a key energy vector for future low-carbon propulsion either through its use in fuel cells for electricity generation or through its direct combustion in turbojet engines.
The project will combine organometallic synthesis, nanochemistry, advanced nanomaterial characterization and electrochemical evaluation.
Metal nanoparticles (MNPs) of first-row transition metals (Fe, Ni, Co) will be synthesized under inert atmosphere using glovebox and Schlenk line techniques. The synthesis parameters, including the metal precursor, nature and amount of stabilizing ligand, reaction temperature, etc., will be systematically varied to control the morphology, size and composition of MNPs. The obtained nanomaterials will be thoroughly characterized using transmission electron microscopy (TEM/HRTEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), infrared (IR) and Raman spectroscopy in order to establish correlations between structure, composition and surface chemistry. Additional operando or synchrotron-based characterization techniques may be employed through established collaborations when required.
The nanostructured materials will then be deposited onto suitable electrode supports and evaluated as electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction (HER) at the cathode and oxygen evolution reaction (OER) at the anode. Their catalytic performance will be assessed by cyclic voltammetry, linear sweep voltammetry, Tafel analysis, electrochemical impedance spectroscopy and long-term stability measurements. Benchmarking against state-of-the-art catalysts will enable the identification of the most promising nanocatalysts. The experimental results will be used to establish structure-activity relationships, providing guidelines for the rational design of efficient, stable and low-cost nanocatalysts for sustainable hydrogen production from water.
A key challenge will be to replace the OER, which is a bottleneck in the water-splitting process, with a thermodynamically more favorable oxidation reaction, such as the degradation of organic pollutants (urea, sulfides, or alcohols). This approach would provide a promising strategy to reduce the energy consumption of hydrogen production while simultaneously treating wastewater, thereby also avoiding the need for purified water.

Nous recherchons un(e) étudiant(e) dynamique, scientifiquement curieux(se), très motivé(e), faisant preuve d'un fort engagement, de rigueur et d'un grand sens des responsabilités. L'étudiant(e) doit être prêt(e) à séjourner dans les laboratoires des deux groupes impliqués dans la co-direction de thèse, à Toulouse, France et à Barcelone, Espagne.
Une expérience préalable dans la synthèse de complexes ou matériaux à base de métaux sensibles à l'air, ainsi qu'une bonne connaissance des techniques de caractérisation des molécules et matériaux à l'état liquide et à l'état solide, constitueront un atout. Une expérience en électrochimie sera également appréciée. Une excellente maîtrise de l'anglais, à l'écrit comme à l'oral, est indispensable.
Le dossier de candidature devra comprendre un curriculum vitae détaillé, une lettre de motivation, un relevé des enseignements suivis en Master, ainsi que les relevés de notes et les classements obtenus en Licence et en Master ainsi que deux lettres de recommandation.

• Oxygen
• Anglais
• Chimie