Métamatériaux à base de matériaux abondants sur Terre pour la purification durable de l'eau et la production d'hydrogène

La purification de l'eau et la production d'hydrogène vert constituent deux priorités stratégiques du Pacte vert pour l'Europe. Les photocatalyseurs à base de semi-conducteurs et les dispositifs photoélectrochimiques offrent des perspectives prometteuses pour la dégradation des polluants et la dissociation de l'eau. Toutefois, la plupart des systèmes actuels les plus performants reposent sur des éléments rares, coûteux ou toxiques (par exemple Pt, Ir, Ru, Cd, Pb, In, Ga), ce qui limite leur durabilité et leur déploiement à grande échelle. Les récentes avancées dans le domaine des métamatériaux électromagnétiques et des métasurfaces offrent des opportunités inédites de manipuler les interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique. Des architectures résonantes judicieusement conçues permettent d'amplifier considérablement les champs électromagnétiques locaux, d'accroître l'absorption de la lumière, de moduler la durée de vie des photons et d'améliorer la génération de porteurs de charge. Néanmoins, l'application des concepts liés aux métamatériaux à la photocatalyse reste largement inexplorée, en particulier lorsqu'elle se limite à des composés respectueux de l'environnement et abondants sur Terre. Le projet de thèse proposé vise à développer une nouvelle génération de métamatériaux photocatalytiques multifonctionnels, alliant une conception électromagnétique de pointe à une chimie inorganique durable. Le projet portera sur la création de métasurfaces et de matériaux céramiques structurés capables de maximiser la captation de l'énergie solaire tout en maintenant un faible impact environnemental. Plus précisément, des métamatériaux photoniques aux propriétés inédites, issus d'une conception inverse, seront élaborés et étudiés pour la catalyse solaire. Ces métamatériaux sont des nanostructures artificielles optimisées par des algorithmes informatiques afin de maximiser l'absorption lumineuse, de contrôler les champs électromagnétiques locaux et de favoriser des réactions chimiques telles que la dissociation de l'eau et la réduction du CO₂. Ces systèmes s'appuient sur la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR), l'ingénierie des bandes interdites photoniques et des méthodes avancées d'apprentissage automatique pour surmonter les limites d'efficacité des photocatalyseurs conventionnels. Le projet associe l'électromagnétisme numérique, des techniques de conception avancées fondées sur l'apprentissage automatique (ML) et l'intelligence artificielle (IA), la chimie des matériaux et la photocatalyse. Le projet devrait aboutir à de nouveaux principes de conception pour des métamatériaux photocatalytiques, à des matériaux photoactifs durables exempts de matières premières critiques, à une meilleure captation de la lumière solaire grâce à des résonances électromagnétiques optimisées, à une efficacité accrue dans la dégradation des polluants en premier lieu et la production d'hydrogène en second, ainsi qu'à des méthodologies transférables applicables à la photocatalyse, à la photoélectrochimie et à la conversion de l'énergie solaire. Au-delà des avancées scientifiques, le projet répond directement à plusieurs priorités stratégiques européennes, notamment l'énergie durable, l'économie circulaire, la réduction de la dépendance aux matières premières critiques et les technologies liées à la qualité de l'eau. École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Direction : Christophe TENAILLEAU Financement : MSCA COFUND BEST