Mes travaux de recherche s’articulent essentiellement autour de la compréhension de la réactivité de molécules organiques et inorganiques, en phase gaz, aux interfaces solides-gaz et depuis peu aux interfaces solides-liquide.
Aujourd’hui, le développement de matériaux plus performants, à bas coûts et respectueux de l’environnement, est essentiel pour des applications dans le domaine de l’énergie et de l’environnement. Ces matériaux doivent généralement être optimisés pour être performants pour l’application visée tout en étant stable dans les conditions opératoires du procédé. Souvent, la découverte d’un matériau adapté pour une application donnée est fastidieuse car elle nécessite un très grand nombre d’expériences-tests à réaliser. Dans mes recherches j’essaye de démontrer l’intérêt d’utiliser la modélisation ab initio pour développer de façon raisonnée de nouvelles formulations de matériaux optimisées pour diverses applications, réduisant de fait le coût expérimental. Cette approche, fondée sur une compréhension à l’échelle moléculaire des phénomènes mis en jeu, permet aujourd’hui la modélisation réaliste des matériaux en interaction avec leur environnement.
J’ai étudié l’adsorption de diverses molécules sur des solides cristallins et amorphes, comme les zéolithes ou la silice, dans le but de comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans plusieurs applications environnementales, comme la capture d’iode radioactif, la dépollution des fumées diesel, la production de biocarburants ou la récupération de métaux critiques. Mes simulations ont été effectuées avec le code périodique VASP fondé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Des techniques modernes pour la prise en compte des forces de dispersion ont été utilisées pour déterminer avec précision les énergies d’interaction des molécules avec les surfaces des matériaux. Des simulations de dynamique moléculaire ab initio (AIMD) ont également menées pour évaluer l’évolution des systèmes étudiés à température finie. A partir des résultats obtenus de nouvelles formulations de matériaux ont pu être proposées, et attendent d’être validées au niveau expérimental puis à l’échelle industrielle.
Voici mes 3 principales thématiques à l’heure actuelle :
1) La conception par modélisation ab initio de formulations zéolithiques optimisées pour le piégeage sélectif :
(i) d’iode radioactif en cas d’accident nucléaire grave
(ii) des NOx contenues dans les fumées diesel
2) La valorisation de la biomasse par catalyse
3) La récupération de métaux critiques par le procédé de flottation
Le dernier point correspond à un virage thématique initié en 2018 vers le génie minier et la récupération de métaux notamment ceux critiques, thématique en plein essor au niveau mondial, et vitale pour notre avenir tant nous sommes de plus en plus dépendants des ressources minérales en dehors de l’Europe (terres rares, tungstène, …). Mon travail pionnier portant sur la modélisation des mécanismes d’hydratation de la fluorite a fait l’objet de la couverture de Journal of Physical Chemistry B en juillet 2018. De plus, les travaux suivants sur les effets synergiques de l’utilisation combinée de deux déprimants de flottation ont été largement reconnus puisque qu’ils ont fait l’objet d’une publication et d’une page de couverture dans Chemical Science (de facteur d’impact 9.5). C’est dans ce contexte que j’ai déposé et obtenu une chaire industrielle, MULTIMINE en 2022, financé par la région Grand Est, ArcelorMittal et des collectivités locales pour un budget total de deux millions d’euros. L’objectif global de MULTIMINE est de développer des modèles dits « clés en main » capable de décrire les mécanismes moléculaires impliqués lors de l’adsorption aux interfaces pour la flottation, pour ensuite concevoir des combinaisons de réactifs de flottation optimisées pour une séparation efficace des minéraux porteurs d’intérêt et des minéraux de gangue.Ce projet est totalement pluridisciplinaire (de la chimie quantique vers la géologie) avec une approche multi-échelle originale et un potentiel d’impact sociétale fort.
