Sujet :
Etude des mécanismes d’adsorption/dégradation de matériaux dopés pour la séparation des gaz rares
Contexte :
Le CEA s’intéresse à la mesure de certains gaz rares comme les isotopes radioactifs du xénon qui sont émis vers l’atmosphère lors de divers événements nucléaires et développe ainsi des systèmes de prélèvement et traitement d’échantillons concentrés en gaz rares dans le cadre du système de surveillance international du Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires (TICE). Par ailleurs, le xénon est un sous-produit important de l’industrie du nucléaire et la récupération sélective du xénon présente des intérêts à plusieurs niveaux. Dans ce cadre, le CEA a récemment mis en place avec Orano des actions pour traiter le xénon. La difficulté du traitement du Xe réside notamment dans sa faible concentration dans les effluents considérés et dans ses caractéristiques chimiques (peu réactif).
La présente thèse s’inscrit notamment dans la continuité de deux thèses (2012-2015 puis 2016-2019) menées au CEA en collaboration avec l’IRCE-Lyon et le LIPhy-Grenoble. La thèse de Ludovic Deliere (2012-2015) a permis de démontrer les capacités exceptionnelles pour l’adsorption du xénon et la séparation des gaz rares de la zéolithe Ag@ZSM5 et d’identifier les mécanismes responsables de l’adsorption. Ce matériau présente en revanche une réactivité vis-à-vis de certains composants de l’air qui lui font rapidement perdre ces propriétés. La thèse d’Arnaud Monpezat (2016-2019) a permis d’identifier les mécanismes responsables de cette dégradation et d’évaluer les méthodes pour s’en affranchir. Elle a également permis d’évaluer les performances dans le cas d’un dopage avec d’autres métaux dopants par une approche utilisant la dynamique moléculaire (DFT) en partenariat avec un autre département du CEA. Le CEA dispose d’une solide expérience dans le domaine de la synthèse de matériaux adsorbants poreux avec le développement de voies de synthèses novatrices. La présente thèse s’appuie donc sur la compétence des laboratoires du CEA ainsi que du CNRS. Elle est complémentaire d’une autre offre de thèse publiée conjointement.
Objectif de la thèse :
L’objectif de cette étude est de poursuivre la définition du métal dopant et des caractéristiques morphologiques optimales pour l’adsorption du xénon et la stabilité du matériau. Ces résultats permettront d’orienter les conditions de synthèse qui font l’objet du sujet de thèse complémentaire. Dans la continuité des travaux précédents, l’étudiant(e) poursuivra les recherches sur le lien entre la structure, les performances et la stabilité des matériaux. Il a notamment été démontré précédemment qu’à partir de fournisseurs ou même de lots différents d’un fournisseur, une même zéolithe native (ZSM-5), présentant la même composition, pouvait présenter, après échanges à l’argent au CEA, des performances et une stabilité très différente en fonction notamment de l’organisation de la porosité et de la taille des grains. En effet, cette première étude permet d’approfondir la compréhension des interactions métal-soluté en quantifiant la composante chimique et la composante physique (force de dispersion) qui varient en fonction de la nature du métal et de la taille des particules (clusters, nanoparticules). La poursuite de ces travaux doit permettre de sélectionner des métaux ou alliages, de distributions de tailles de particules variables, susceptibles de produire un matériau plus stable et éventuellement plus efficace.
Déroulement de la thèse :
Cette thèse comprend à égalité une composante expérimentale et de modélisation. Elle s’adresse à un(e) étudiant(e) possédant de solides connaissances en chimie physique et se déroulera au sein du site CEA de Bruyères-le-Châtel. Afin de caractériser les matériaux et leurs performances, l’étudiant(e) a accès à un large panel de techniques d’analyse sur les sites du CEA (Isothermes d’adsorption, DRX, MEB, XAS, RMN,…) ou de ses partenaires (MET, Tomographie, …). Par ailleurs, les études en DFT qui ont été entreprises à la fin de la thèse précédente permettent de reconsidérer le type de métal à utiliser pour une fonctionnalisation optimale. La poursuite de ces travaux doit permettre de sélectionner des métaux ou alliages, de distributions de tailles de particules variables, susceptibles de produire un matériau plus stable et éventuellement plus efficace.
D’une manière générale, la participation à des congrès et la publication d’articles dans des revues scientifiques de rang A doivent mettre en avant l’expertise acquise par le CEA ces dernières années sur ces sujets très porteurs.
Directeur de thèse et école doctorale :
FARRUSSENG David
david.farrusseng@ircelyon.univ-lyon1.fr
ED 206 – Chimie (Chimie, Procédés, Environnement
Université de Lyon
Contacts :
TOPIN Sylvain
CEA/DAM Ile-de France – Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
Tél. : 01.69.26.40.00. – sylvain.topin@cea.fr