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Les sujets de thèses

Dernière mise à jour : 25-04-2017

6 sujets IRAMIS

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• Chimie physique et électrochimie

 

Batteries magnésium-ion innovantes à haute capacité à base d’électrodes négatives nanostructurées

SL-DRF-17-0902

Domaine de recherche : Chimie physique et électrochimie
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire d'étude des éléments légers (LEEL)

Saclay

Contact :

Magali GAUTHIER

Hicham KHODJA

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-01-2017

Contact :

Magali GAUTHIER

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEEL

0169084530

Directeur de thèse :

Hicham KHODJA

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEEL

01 69 08 28 95

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/magali.gauthier/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/leel/

La thèse propose l'exploration d'un concept novateur pour le stockage de l'énergie : les accumulateurs électrochimiques magnésium (Mg)-ion. Le magnésium apparaît comme une excellente alternative au lithium en raison de sa forte capacité spécifique, son faible coût, son abondance sur Terre et sa faible réactivité comparé au lithium offrant une meilleure sécurité.



Cependant, les électrolytes conventionnels utilisés dans les batteries au Li interagissent fortement avec le magnésium métallique pour former une couche de surface bloquante à la surface du Mg métallique, inhibant les réactions électrochimiques réversibles dans la cellule. Un concept innovant pour résoudre ce problème est le remplacement de l’électrode en Mg métallique par un matériau compatible avec des solvants et solutions électrolytiques présentant de larges fenêtres de stabilité électrochimique. Les composés d’alliages avec le Mg possèdent une stabilité appropriée dans les électrolytes classiques et des potentiels légèrement plus élevés que le Mg métallique pur. Leur capacité est plus faible, mais encore suffisante pour assurer une augmentation substantielle de la capacité des batteries.



Le premier objectif de la thèse est la synthèse de nouveaux alliages binaires ou ternaires nanostructurés offrant des performances supérieures (capacité, rendement coulombique) à l’état de l'art. Le deuxième objectif est la compréhension fondamentale des mécanismes d’insertion/désinsertion des nouveaux composés synthétisés et de leur réactivité vis-à-vis des électrolytes.

Caractérisation de paires d’ions par spectroscopie résolue en conformation

SL-DRF-17-0069

Domaine de recherche : Chimie physique et électrochimie
Laboratoire d'accueil :

Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL)

(SBM)

Saclay

Contact :

Eric GLOAGUEN

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2017

Contact :

Eric GLOAGUEN

CNRS - DSM/IRAMIS/LIDyL/SBM

01 69 08 35 82

Directeur de thèse :

Eric GLOAGUEN

CNRS - DSM/IRAMIS/LIDyL/SBM

01 69 08 35 82

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/70/eric.gloaguen.html

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/LIDYL/SBM/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/LIDYL/

Les paires d’ions sont des objets omniprésents dans la nature (eau de mer, aérosols, organismes vivants). Elles interviennent dans la cristallisation des espèces ioniques, influencent les propriétés des solutions concentrées en ions et des liquides ioniques, et jouent ainsi un rôle majeur dans d’innombrables applications. Bien qu'elles apparaissent dans de nombreux domaines (Physique, Chimie, Biologie) leur caractérisation en solution se heurte à une double difficulté: la coexistence de plusieurs types de paires, et leur nature transitoire. Or, de nouvelles techniques permettent désormais d’étudier ces objets isolés en phase gazeuse, permettant ainsi d'aborder sous un angle nouveau de nombreuses problématiques. Dans ce contexte, le programme de recherche développé par le doctorant visera à étudier des paires d’ions globalement neutres par une approche conjointe théorie-expérience combinant spectroscopie et calculs de chimie quantique. Trois axes de recherches seront suivis:

- La caractérisation spectroscopique des différents types de paires d’ions et son application à l’étude du pouvoir dissociant du solvant.

- La description des premières étapes de la cristallisation des composés ioniques.

- L’analyse du rôle des contre-ions sur la structure de biomolécules chargées.

Caractérisation in situ de batteries Na-O2 par spectroscopie RMN solide

SL-DRF-17-0491

Domaine de recherche : Chimie physique et électrochimie
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (LCF) (LSDRM)

Saclay

Contact :

Alan WONG

Thibault CHARPENTIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Alan WONG

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LSDRM

+33 1 69 08 41 05

Directeur de thèse :

Thibault CHARPENTIER

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LSDRM

33 1 69 08 23 56

Voir aussi : https://sites.google.com/site/alanwongnmr/home

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/lsdrm/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/Pisp/magali.gauthier/

Les batteries métal-oxygène apparaissent ces dernières années comme une alternative possible aux batteries Li-ion. En particulier, l’intérêt pour les batteries sodium-oxygène (Na-O2) provient de leur forte densité d'énergie théorique, leur faible polarisation, et surtout le plus faible coût et l’abondance du sodium. Cependant, de nombreux verrous restent à lever et de nombreux efforts à fournir pour comprendre les mécanismes sous-jacents dans les batteries Na-O2. L'élucidation des processus électrochimiques de décharge et de leurs produits (NaO2 ou Na2O2), et de la réactivité de l'électrolyte, est cruciale. L'objectif de la thèse est d'étudier les réactions électrochimiques et chimiques dans les batteries Na-O2 au cours du cyclage en temps réel en utilisant la spectroscopie NMR à l'état solide in situ. La thèse consistera à (1) mettre en place une installation de spectroscopie NMR à l’état solide in situ sans précédent au LSDRM pour l'étude des batteries Na-O2; (2) comprendre les mécanismes réactionnels dans les systèmes Na-O2; et (3) explorer de nouvelles voies pour améliorer les performances de la batterie.

Catalyseurs à base de nanotubes de carbone pour les batteries Li-Air

SL-DRF-17-0545

Domaine de recherche : Chimie physique et électrochimie
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Innovation, Chimie des Surfaces Et Nanosciences (LICSEN)

Saclay

Contact :

Bruno Jousselme

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Bruno Jousselme

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LICSEN

0169089191

Directeur de thèse :

Bruno Jousselme

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LICSEN

0169089191

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/bruno.jousselme/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/licsen/

Les besoins de la société en matière de stockage d'énergie portable pour les applications mobiles (véhicules électriques) dépasseront largement ce que pourront fournir les batteries lithium-ion, dont les performances plafonnent depuis une décennie. Il en résulte un intérêt intense pour des alternatives possibles. Les batteries lithium-air (Li-O2), à base d'électrolytes aqueux ou non aqueux, sont une des alternatives possibles. Ces systèmes possèdent une énergie spécifique théorique significativement supérieure aux batteries Li-ion, et pourrait donc transformer le stockage portable d'énergie. Cependant, de nombreux problèmes aujourd'hui limitent la réalisation de batteries rechargeables Li-O2 ayant des performances compétitives. Dans ce contexte général, ce travail de thèse concerne l'étude au niveau fondamental de l'utilisation des nanotubes de carbone fonctionnalisés pour catalyser la réaction de réduction de l'oxygène dans les milieux organiques et de leur intégration dans les batteries Li-Air. La compréhension des réactions électrochimiques / chimiques qui se produisent à la surface et dans le volume des matériaux de la cathode pendant les cycles de charge et de décharge répétés sera étudiée en détail, ce qui guidera la synthèse de nouveaux matériaux de cathode.

Nouvelle génération de batteries Li-air basées sur l’utilisation de MOFs (Metal Organic Frameworks)

SL-DRF-17-0375

Domaine de recherche : Chimie physique et électrochimie
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire d'étude des éléments légers (LEEL)

Saclay

Contact :

Suzy SURBLE

Hicham KHODJA

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Suzy SURBLE

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEEL

+ 33 1 69 08 81 90

Directeur de thèse :

Hicham KHODJA

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEEL

01 69 08 28 95

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/Pisp/suzy.surble/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/leel/

Dans un contexte de demande croissante en stockage mobile d’énergie, les recherches se concentrent pour trouver une alternative aux problèmes énergétiques. Les batteries Li-ion sont ainsi devenues les batteries de référence notamment pour les appareils électroniques grand public. Cependant, leurs performances en termes de capacité et d’énergie spécifiques semblent atteindre leurs limites et seront insuffisantes pour les besoins à long terme de notre société. Il s’avère donc nécessaire de développer une nouvelle technologie de batteries offrant de nouvelles perspectives en matière de capacité de stockage et de sécurité en particulièrement dans le domaine de l’automobile. La technologie Li-air offre des perspectives très prometteuses (densité énergétique de 1700 Wh/kg vs 160 Wh/kg pour les batteries Li-ion actuelles). Cependant, un certain nombre de verrous doit encore être levé, le plus important étant la perte rapide des performances après seulement quelques cycles de charge. L’utilisation de solides de type MOF (Metal Organic Framework) apparait comme une percée dans le domaine de l’électrochimie. Ces derniers composés présentent une faible densité, une grande surface spécifique et une forte porosité.



L’objectif de la thèse sera de synthétiser de nouveaux matériaux de type MOFs susceptibles d’avoir de bonnes performances électrochimiques. Des techniques classiques telles que la diffraction des rayons X, des mesures électrochimiques et d’impédance seront utilisées pour caractériser ces matériaux. Pour les structures les plus prometteuses, un travail d’optimisation de la formulation de l’électrode sera mené afin d’obtenir un assemblage complet de batterie Li-air.



Mots clés : batterie lithium-air, MOFs (Metal Organic Frameworks), caractérisation structurale, caractérisations électrochimiques

Résonance magnétique nucléaire et chimie quantique pour la conception de biosondes innovantes

SL-DRF-17-0337

Domaine de recherche : Chimie physique et électrochimie
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l'Energie (NIMBE)

Laboratoire Structure et Dynamique par Résonance Magnétique (LCF) (LSDRM)

Saclay

Contact :

Jean-Pierre DOGNON

Patrick BERTHAULT

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2017

Contact :

Jean-Pierre DOGNON

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LSDRM

0169083714

Directeur de thèse :

Patrick BERTHAULT

CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LSDRM

+33 1 69 08 42 45

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/Pisp/patrick.berthault/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/lsdrm/

La résonance magnétique nucléaire du xénon-129 hyperpolarisé a récemment donné lieu à une imagerie moléculaire de grande sensibilité et utilisable même sur des tissus biologiques non superficiels. Le laboratoire est un des pionniers dans ce domaine qu’il a pu marquer de son empreinte à travers une vingtaine de publications citées plus de 450 fois. L’approche consiste à utiliser des systèmes moléculaires capables d’encapsuler de manière réversible le gaz rare. Ces molécules hôtes possèdent une antenne de reconnaissance d’un récepteur biologique ou d’un analyte, et la variation importante de la fréquence de résonance du xénon encapsulé donne lieu à une imagerie spectroscopique de grande sensibilité.



Récemment, des outils basés sur des calculs ab-initio et DFT nous ont permis de modéliser le déplacement chimique du xénon encapsulé dans les différents intermédiaires réactionnels d’une sonde de H2O2. Un tel travail montre qu’il est possible, avec les outils de chimie théoriques adaptés, d’accéder aux paramètres importants de l’interaction, même pour un atome lourd comme le xénon. Il est important d’une part d’étendre ces méthodes à d’autres complexes xénon - molécule hôte, d’autre part de prédire les vitesses d’entrée – sortie du xénon, cruciales pour la sensibilité de la méthode. C’est le sujet de cette thèse.

 

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