Thèse Matrices de Carbone Contenant des Atomes Métalliques Actifs pour des Films Minces Performants 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 : Myrtil KAHN ORCID 0000000330795759 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Ce projet vise à développer des matériaux innovants pour le stockage solide et sécurisé de l'hydrogène vert via un procédé de dépôt par plasma assisté par aérosols. L'objectif est d'intégrer des atomes de ruthénium (Ru) à des degrés d'oxydation inusuels dans des matrices carbonées minces, afin d'optimiser la solvolyse des amine-boranes (AB) pour une production contrôlée d'H.
Le ruthénium est choisi pour ses propriétés catalytiques exceptionnelles, permettant d'envisager des rendements supérieurs à ceux obtenus avec d'autres métaux. Le procédé plasma permet une synthèse rapide, propre et reproductible, avec un contrôle précis des paramètres (pression, puissance, débit d'injection) pour maximiser l'inclusion du Ru et la stabilité des couches.
Le projet s'articule autour de trois axes principaux : l'optimisation du procédé plasma avec la détermination des conditions optimales pour la synthèse des couches carbonées chargées en Ru. La caractérisation avancée avec l'établissement de corrélations entre la structure des matériaux (analysée par XPS, Raman, RBS) et leurs performances en solvolyse. Et l'évaluation socio-économique et environnementale avec l'analyse du cycle de vie (ACV) et étude coûts-bénéfices pour guider la montée en échelle du procédé.
Le projet s'appuie sur un consortium pluridisciplinaire associant des experts en procédés plasma (Université de Montréal), chimie des précurseurs et caractérisation des matériaux (LCC). Les partenaires industriels (Safran, CNES) apporteront leur expertise en transfert technologique et évaluation des performances.
Innovations clés : Le projet propose des matériaux multifonctionnels alliant des propriétés catalytiques et une capacité de stockage d'hydrogène, grâce à l'intégration d'atomes de ruthénium dans des matrices carbonées. L'approche repose sur un procédé plasma écoresponsable, réduisant significativement les déchets et la consommation de produits chimiques par rapport aux méthodes traditionnelles. Ces innovations ouvrent la voie à des applications cibles dans des dispositifs mobiles de stockage d'hydrogène, adaptés à des usages tant industriels qu'individuels. Green hydrogen is emerging as a key energy carrier for the ecological transition, but its storage in solid form remains a major technological challenge.[1] In this context, amine-boranes appear to be particularly promising compounds for hydrogen storage, provided that their controlled decomposition can be managed-which requires the development of effective catalysts. [2] Ruthenium, a strategic metal in catalysis, offers unique electronic properties that could enable superior performance compared to other metals currently in use.[3] However, the synthesis of effective materials still poses scientific and technical challenges. Furthermore, optimizing hydrogen yield while ensuring the safety and recyclability of the materials remains a crucial issue. Finally, assessing the environmental and socioeconomic impact of these large-scale processes is essential for their industrial adoption. This project proposes an innovative approach based on an aerosol-assisted plasma process,[4] which enables the rapid, clean, and reproducible synthesis of multifunctional materials, while integrating safety, sustainability, and recyclability criteria from the design stage. To develop innovative carbon-based materials incorporating ruthenium (Ru) atoms in unusual oxidation states, synthesized via an aerosol-assisted plasma process, for the solid and safe storage of green hydrogen through the solvolysis of amine-boranes. More specifically, the project aims to optimize the plasma process by determining key parameters-such as pressure, power, and injection flow rate-to maximize ruthenium incorporation into the carbon layers while evaluating material yield and process reproducibility. Particular attention will be paid to establishing correlations between process parameters, material structure, and solvolysis performance, using advanced techniques such as XPS, Raman, RBS, and RIMA spectroscopy to analyze the oxidation state of ruthenium. Material performance will be validated by measuring the amount of hydrogen produced, reaction kinetics, and energy costs, while testing the recyclability of the catalytic system. Finally, a socio-economic and environmental assessment will be conducted, including a life-cycle analysis and a cost-benefit study to guide the optimization and upscaling of the process. The experimental approach is based on the use of an aerosol-assisted plasma reactor in which ruthenium-based organometallic precursors, such as metallocenes, will be injected in the form of a liquid solution. Process parameters, including pressure ranging from 0.1 to 10 mbar, power ranging from 50 to 200 W, and an injection flow rate adjusted between 1 and 10 mL/min, will be systematically explored to optimize ruthenium incorporation and the stability of the synthesized carbon layers.
Material characterization will be performed using advanced techniques such as Raman, infrared, and XPS spectroscopy to analyze the oxidation state of ruthenium, as well as RBS and RIMA spectroscopy to determine the elemental composition. The morphology of the layers will be studied using scanning and transmission electron microscopy. Catalytic properties will be evaluated through amine-borane solvolysis tests, with the amount of hydrogen produced measured by gas chromatography.
The performance analysis will include real-time monitoring of hydrogen production kinetics, testing the recyclability of the catalytic system over multiple cycles, and an assessment of energy and material costs. A socio-economic study will complement this analysis, including a life-cycle assessment of the process-conducted in collaboration with Safran-and a cost-benefit analysis comparing this technology to other hydrogen storage solutions.
This approach is based on close collaboration with the University of Montreal, which will contribute its expertise in plasma diagnostics and process optimization. It is part of the roadmap for the IRVing(s) joint research laboratory with Safran and CNES, which aims to develop high-performance thin films for aerospace applications.
La caractérisation des matériaux sera réalisée à l'aide de techniques avancées comme la spectroscopie Raman, infrarouge et XPS pour analyser l'état d'oxydation du ruthénium, ainsi que la spectroscopie RBS et RIMA pour déterminer la composition élémentaire. La morphologie des couches sera étudiée par microscopie électroniques à balayage et en transmission. Les propriétés catalytiques seront évaluées par des tests de solvolyse des amine-boranes, avec mesure de la quantité d'hydrogène produite par chromatographie gazeuse.
L'analyse des performances inclura un suivi en temps réel de la cinétique de production d'hydrogène, des tests de recyclabilité du système catalytique sur plusieurs cycles, ainsi qu'une évaluation du coût énergétique et matière. Une étude socio-économique complètera cette analyse, avec une analyse du cycle de vie du procédé, en collaboration avec Safran, et une étude coûts-bénéfices comparant cette technologie à d'autres solutions de stockage d'hydrogène.
Cette approche s'appuie sur des collaborations étroites avec l'Université de Montréal, qui apportera son expertise en diagnostic plasma et optimisation des procédés. Il s'inscrit dans la feuille de route du laboratoire commun de recherche IRVing(s) avec Safran et le CNES et ayant pour objectif le développement de couches minces performantes pour des applications aéronautiques et spatiales.

Le candidat idéal devra être titulaire d'un Master 2 en Chimie de coordination, Chimie des Matériaux, Science des Procédés Plasma ou Catalyse, ou d'une formation équivalente. Il devra posséder des connaissances solides en chimie inorganique ou organométallique, ainsi qu'en techniques de caractérisation des matériaux comme la spectroscopie et la microscopie. Une expérience en manipulation de réacteurs plasma sera considérée comme un atout majeur.
Sur le plan technique, le candidat devra maîtriser l'analyse de données issues de spectroscopies (XPS, Raman) ou de chromatographie, et avoir une première expérience en synthèse de matériaux. La capacité à utiliser des logiciels de modélisation comme COMSOL ou Gaussian sera appréciée. Un niveau d'anglais scientifique B2 est indispensable pour la rédaction d'articles et les présentations en conférences internationales.
Le profil recherché devra également faire preuve d'autonomie dans la gestion d'un projet pluridisciplinaire, d'un esprit de collaboration pour travailler avec les partenaires académiques et industriels, et d'une grande rigueur dans le respect des protocoles expérimentaux et des normes de sécurité. La curiosité scientifique, l'esprit d'innovation et l'adaptabilité pour un travail partagé entre la France et le Canada seront des qualités essentielles. Enfin, un sens aigu de l'organisation sera nécessaire pour gérer efficacement les livrables et les échéances du projet.

Application link : https://edd-projets.utoulouse.fr/

• Chromatographie
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