Conception rationnelle de matériaux avancés pour une production d'énergie durable par de nouveauxmodèles théoriques/informatiques

Rational design of advanced materials for sustainable energy production by new theoretical/computational models

• Auteur / Autrice : Pietro Curzietti
• Direction : Carlo Adamo, Nicola Tasinato
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres en cotutelle avec Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institute of Chemistry for Life and Health Sciences
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Chimie Théorique et Modélisation (TCM)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)

Mots clés

Mots clés libres

Périodique

Cluster

Dft

Periodic

Cluster

Dft

Résumé

Deux stratégies principales seront adoptées pour modéliser la structure des matériaux catalytiques : l'approche périodique et l'approche cluster. Dans le premier cas, les conditions aux limites périodiques (PBC) sont exploitées pour modéliser la structure des systèmes cristallins en répétant indéfiniment la cellule unitaire cristallographique dans les trois directions spatiales. Dans le cadre de cette approche, les surfaces seront obtenues en générant une dalle, c'est-à-dire une tranche, constituée d'un nombre fini de couches atomiques parallèles à un plan de Miller donné, découpées dans la structure globale. Dans l'approche cluster, une macromolécule discrète présentant les sites spécifiques pertinents pour les processus chimiques ciblés sera construite (par exemple par extraction du matériau en vrac) et utilisée comme proxy pour simuler le système plus étendu. D'autre part, une description précise des interactions molécule-catalyseur et de la (électro)chimie associée nécessite une description mécanique quantique précise des mouvements électroniques et nucléaires, basée soit sur la théorie fonctionnelle de la densité (TFD), soit sur des méthodes basées sur la fonction d'onde. Dans cette perspective, un protocole informatique capable de fournir une précision chimique pour la simulation de processus catalytiques hétérogènes sera développé et validé. En partant de la relation entre l'activité catalytique et les énergies d'adsorption, les calculs de chimie quantique seront exploités pour une sélection approfondie de nouveaux catalyseurs stables et actifs pour la génération H2.

Two main strategies will be adopted to model the structure of catalytic materials: the periodic approach and the cluster approach. In the former, periodic boundary conditions (PBC) are exploited to model the structure of crystalline systems by indefinitely repeating the crystallographic unit cell in the three space directions. Within this approach, surfaces will be obtained by generating a slab, i.e. a slice, consisting of a finite number of atomic layers parallel to a given Miller's plane, cut out from the bulk structure. In the cluster approach, a discrete macro-molecule featuring the specific sites relevant to the targeted chemical processes will be built (e.g. by extraction from the bulk material) and used as a proxy to simulate the more extended system. On the other hand, an accurate description of molecule - catalyst interactions and the related (electro)chemistry requires an accurate quantum mechanical description of electronic and nuclear motions, based either on density functional theory (DFT) or on wave-function based methods. Under this point of view, a computational protocol capable of delivering chemical accuracy for the simulation of heterogeneous catalytic processes will be developed and validated. Moving from the relationship between catalytic activity and adsorption energies, quantum chemical computations will be exploited for extensive screening of new stable and active catalysts for the H2 generation.