Thèse Observer un Catalyseur en Action Grâce à la Nap-Xps Résolue en Temps H/F - 59

Établissement : Université de Lille
École doctorale : Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement
Laboratoire de recherche : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide
Direction de la thèse : Jean-François PAUL
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59

Le projet de thèse, basé à l'Université de Lille au sein du laboratoire UCCS, porte sur le comportement dynamique des photocatalyseurs dans des conditions réactionnelles. Il aborde un défi majeur en photocatalyse hétérogène : la compréhension encore limitée des modifications structurales et électroniques subies par les photocatalyseurs en cours de fonctionnement. Alors que les modèles mécanistiques traditionnels considèrent souvent le catalyseur comme un matériau statique, les photocatalyseurs sont par nature des systèmes dynamiques. Ils réagissent rapidement aux variations de température, de pression, de composition gazeuse et d'illumination - autant de facteurs qui influencent fortement leur activité catalytique et leur sélectivité. Pour saisir ces processus transitoires, des études résolues en temps dans des conditions réalistes de fonctionnement sont nécessaires.
L'objectif de la thèse est de développer une méthodologie expérimentale résolue en temps utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X sous pression ambiante (NAP-XPS), en tirant parti des capacités d'un nouvel instrument NAP-XPS en laboratoire récemment installé à l'Institut Chevreul (Université de Lille). Cet équipement de pointe, le second de ce type en France après la ligne de lumière TEMPO du synchrotron SOLEIL, permet des investigations en conditions opérando de la chimie de surface.
Comme système modèle, les recherches porteront sur un photocatalyseur composé de trois composants : le zinc (en tant que site métallique actif), l'acide tungstophosphorique (un polyoxométalate jouant un rôle dans le transfert d'électrons), et l'oxyde de titane (un semi-conducteur absorbant la lumière). Ce catalyseur hybride a montré d'excellentes performances dans deux réactions de référence : la réduction photocatalytique sélective du CO en CO en présence d'eau, et l'oxydation du CH en CO.
Les mesures de NAP-XPS résolues en temps permettront d'identifier la structure et la nature des sites actifs, de suivre la formation des espèces intermédiaires, ainsi que l'évolution du catalyseur et sa désactivation éventuelle pendant son fonctionnement. Au-delà de l'identification chimique, la méthodologie permettra de caractériser les cinétiques réactionnelles et les échelles de temps associées à des processus concurrents se produisant sur une même surface, offrant ainsi une compréhension fine de l'origine de la sélectivité en conditions dynamiques. Les résultats de ce travail contribueront à faire progresser les techniques de spectroscopie opérando et soutiendront la conception rationnelle de photocatalyseurs plus efficaces pour des transformations chimiques durables.

Cette thèse s'inscrit dans le projet ANR NAPTIME qui se concentre sur les avancées instrumentales et technologiques pour développer la spectroscopie de photoélectrons des rayons X à pression quasi ambiante résolue dans le temps (NAP-XPS). Le développement classique des photocatalyseurs repose encore largement sur des méthodes d'essais-erreurs, en raison d'une compréhension limitée des mécanismes réactionnels et de la dynamique des catalyseurs pendant les réactions. Ce projet vise à créer des méthodologies spectroscopiques permettant de suivre en temps réel le comportement des photocatalyseurs dans des conditions operando.

Mieux comprendre les mécanismes réactionnels d'une réaction photocatalytique
-Identifier les sites actifs et intermédiaires réactionnels grâce aux techniques operando, notamment le NAP-XPS au UCCS.
-Optimiser la conception des catalyseurs pour améliorer la production et limiter la désactivation.

Ce projet utilise principalement la spectroscopie de photoélectron des rayons X à pression ambiante (NAP-XPS), avec pour but de developper l'aspect résolu en temps de cette technique. Ces mesures résolues en temps permettront d'identifier la structure et la nature des sites actifs, de suivre la formation des espèces intermédiaires, ainsi que l'évolution du catalyseur et sa désactivation éventuelle pendant son fonctionnement.