Thèse Optimisation de la Production d'Hydrogène à l'Aide d'Électrodes de Carbone Polarisées une Approche par Simulation Moléculaire H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes Laboratoire de recherche : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil Direction de la thèse : Romain DUPUIS ORCID 0000000194511132 Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-05-08T23:59:59 Le projet HYDROUS ambitionne d'optimiser la production d'hydrogène via l'électrocatalyse en développant des modèles moléculaires innovants pour comprendre les mécanismes fondamentaux de la dissociation de l'eau dans les électrodes poreuses en carbone. Face à l'urgence de réduire les émissions de CO et de remplacer les procédés industriels polluants (vaporeformage, etc.), l'électrolyse de l'eau, bien qu'efficace, reste énergivore et nécessite une tension minimale de 1,4 V en milieu alcalin à température ambiante. En France, seulement 0,1 % de l'hydrogène produit provient de l'électrolyse, tandis que des initiatives américaines visent à abaisser son coût à 1 $/kg d'ici 2031. Le projet propose de lever les verrous scientifiques en étudiant, via des simulations moléculaires (champs de force réactifs comme ReaxFF et potentiels d'apprentissage automatique), le rôle clé de l'ancrage des ions et de la porosité dans les électrodes en carbone. Trois axes structurent la recherche : (1) la création de modèles simplifiés de pores carbonés aux propriétés contrôlées pour analyser l'adsorption ionique et la dissociation de l'eau, (2) l'étude de la dynamique des ions (K, Na, Li, Cs) et de la mécanique des pores sous l'effet de la tension et du pH, et (3) la simulation directe de la dissociation de l'eau, avec calcul des barrières énergétiques et de l'énergie libre de Gibbs pour identifier les chemins réactionnels les plus favorables. Ces avancées, confrontées à des données expérimentales obtenues en collaboration avec des partenaires comme Teresa Bandosz (City College of New York) permettront de proposer des électrodes optimisées pour une production d'hydrogène plus efficace et durable. Le projet s'inscrit dans une démarche interdisciplinaire alliant chimie, physique et science des matériaux.
Près de 95 % de l'hydrogène mondial est produit via des procédés industriels polluants (vaporeformage), limitant son potentiel comme vecteur énergétique propre. L'électrolyse de l'eau, alternative bas carbone, reste coûteuse en énergie (1,4 V nécessaires en milieu alcalin), avec des rendements encore insuffisants. Les électrodes poreuses en carbone, prometteuses grâce à leur faible coût et leur conductivité, souffrent d'un manque de compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents, notamment l'influence de la porosité et de l'ancrage des ions sur la dissociation de l'eau. Le projet HYDROUS vise à lever ce verrou en combinant simulations moléculaires avancées et modèles simplifiés pour optimiser ces électrodes.

Le projet HYDROUS recherche un·e doctorant·e motivé·e pour contribuer à la modélisation moléculaire de la production d'hydrogène via des électrodes poreuses en carbone. Le·la candidat·e idéal·e possède une solide formation en physique, chimie physique, science des matériaux ou domaine connexe, avec une expérience avérée en simulations moléculaires (dynamique moléculaire classique ou réactive, champs de force comme ReaxFF, potentiels d'apprentissage automatique). Une maîtrise des outils de programmation (Python, C++, Fortran) et des logiciels de simulation (LAMMPS) est requise, ainsi qu'une bonne connaissance des principes de l'électrochimie et des matériaux poreux. Le·la doctorant·e devra également faire preuve de rigueur scientifique, de capacité à analyser des données complexes et à collaborer au sein d'une équipe pluridisciplinaire, incluant des partenaires expérimentaux. Une expérience préalable en simulation de systèmes électrochimiques ou en modélisation de matériaux carbonés (gels, oxydes, supercondensateurs) sera un atout majeur. Le profil recherché allie curiosité intellectuelle, autonomie et aptitude à communiquer ses résultats de manière claire, tant à l'oral qu'à l'écrit.

• Logiciels de simulation-modélisation
• Chimie
• Science des matériaux