Thèse Traitement de l'Eau de Mer pour la Capture et la Valorisation du Co2 Via des Réseaux de Microélectrodes Électrochimiques H/F - 75

Établissement : ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)
École doctorale : Physique et Chimie des Matériaux
Laboratoire de recherche : Institut des Matériaux Poreux de Paris
Direction de la thèse : Loïc ASSAUD ORCID 0000000249911062
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59

La neutralité carbone visée par l'Union européenne à l'horizon 2050 et les recommandations du GIEC impliquent le déploiement de technologies de captage du CO à grande échelle. Les océans, qui renferment environ 150 fois plus de CO dissous que l'atmosphère, représentent un réservoir particulièrement attractif. Plusieurs approches électrochimiques de captage du CO marin ont été proposées, mais elles reposent souvent sur de fortes variations de pH et sur l'utilisation de membranes échangeuses d'ions, soulevant des enjeux de durabilité des matériaux, de corrosion et de risques de contamination de l'environnement marin.
Ce projet de doctorat propose une approche innovante fondée sur des réseaux de microélectrodes (microelectrode arrays, MEAs) capables de générer des variations locales de pH sans additifs chimiques ni membranes polymériques. Le principe repose sur une acidification localisée à proximité de l'électrode afin de déplacer l'équilibre HCO/CO et libérer le CO dissous, couplée à sa conversion électrochimique en CO. Grâce à la très faible distance entre anodes et cathodes, les flux de protons et d'hydroxydes sont spatialement confinés, ce qui permet de maintenir le pH global proche de sa valeur initiale, de limiter la précipitation de carbonates et de réduire la consommation énergétique.
Le projet vise à développer des réacteurs de flux robustes, évolutifs et économiquement viables pour l'extraction directe du CO à partir de l'eau de mer, tout en minimisant la dégradation des électrodes et le relargage de contaminants. Les principaux défis scientifiques concernent le contrôle précis des gradients locaux de pH, l'optimisation des catalyseurs pour une sélectivité élevée et une faible évolution d'hydrogène, ainsi que la stabilité du système en conditions réelles de salinité.Parmi les stratégies disponibles d'émissions négatives de carbone, la capture directe du CO à partir des océans et de l'eau de mer est particulièrement prometteuse, car ces réservoirs naturels contiennent environ 150 fois plus de CO dissous que l'atmosphère. Différentes approches électrochimiques incluent :

(i) l'électrodialyse à membrane bipolaire, qui dissocie l'eau en H et OH afin de générer des flux acidifiés et basifiés libérant du CO ou précipitant des carbonates en raison des déplacements de l'équilibre CO/HCO/CO² ;

(ii) le procédé électrochimique asymétrique médié par les chlorures, qui utilise deux cellules pour acidifier le flux d'alimentation puis restaurer l'alcalinité avant le rejet dans l'océan ;

(iii) la boucle électrochimique de l'hydrogène, qui emploie une cellule à trois compartiments séparés par une membrane échangeuse de cations et repose sur la réaction d'oxydation de l'hydrogène comme source de protons pour l'acidification de l'eau.

Cependant, de nombreuses approches existantes négligent les risques potentiels de contamination et d'intégrité des matériaux associés aux fortes variations de pH et à l'exposition prolongée à des environnements corrosifs. Les développements futurs devront donc accorder la priorité à la stabilité chimique et mécanique des matériaux dans des conditions extrêmes de pH et de salinité, parallèlement à des évaluations technico-économiques et de cycle de vie complètes de la technologie.

La méthodologie est structurée en trois axes : (1) la fabrication et la caractérisation fondamentale de MEAs modèles, (2) l'optimisation de catalyseurs robustes et compatibles avec le passage à l'échelle, et (3) l'intégration dans un réacteur de preuve de concept fonctionnant jusqu'en eau de mer réelle. Le projet s'appuie sur un consortium aux expertises complémentaires en électrocatalyse et en caractérisation avancée, et inclut une analyse de cycle de vie afin d'évaluer la durabilité globale de la technologie.

L'approche proposée présente plusieurs avantages par rapport aux systèmes d'extraction du CO les plus avancés. Premièrement, elle permet une conception simplifiée du réacteur en éliminant la nécessité de membranes échangeuses d'ions coûteuses. Deuxièmement, le procédé évite une augmentation locale excessive du pH, susceptible de favoriser une précipitation indésirable de carbonates à l'électrode.
Le CO généré à proximité de l'anode et non valorisé à l'étape 2 à la cathode sera extrait sous faible vide (avec le CO) à travers l'électrode de diffusion gazeuse multicouche conçue (GDE)), assurant une extraction sélective du CO/CO ainsi que la conductivité électronique au sein de l'AME (MEA).