Équipe SMF-M2E : Systèmes Multifonctionnels et Modélisation Multi-échelle

Développer des matériaux carbonés poreux de type biochar et hydrochar, d’intérêt pour la capture et la minéralisation de polluants organiques modèles classiques et émergents.

Réaliser de nouveaux matériaux  d’électrode pour la capture et la reconnaissance sélectives de métaux lourds.

Optimiser les conditions de pyrolyse pour réaliser de nouveaux bio char, poreux et hautement graphitisés, servant au stockage de l’énergie.

Développement d’approches théoriques pour la modélisation de la molécule au matériau à l’interface avec l’expérience

Activités scientifiques

Nos activités de recherche s’organisent autour de cinq axes complémentaires, combinant conception de matériaux à base de biomasse, caractérisation avancée et modélisation/simulation multi-échelle.

Matériaux carbonés poreux pour l’environnement (Mohamed Chehimi et Mahamadou Seydou)        

Nous nous intéressons au développement de biochars et hydrochars issus de la biomasse pour la capture, l’adsorption et la minéralisation de polluants organiques classiques et émergents. Il s’agit aussi de la conception de matériaux d’électrode innovants pour la détection, la capture et la reconnaissance sélective des métaux lourds, en intégrant simulations atomistiques et modèles de transport pour optimiser sélectivité et sensibilité. La modélisation moléculaire et multi-échelle permet de relier structure, porosité et performances environnementales.

Matériaux carbonés pour le stockage et la conversion de l’énergie (Mohamed Chehimi, Mahamadou Seydou)

Optimisation des procédés de pyrolyse afin d’élaborer des biochars hautement poreux et graphitisés dédiés au stockage de l’énergie. Les approches multi-échelles relient les conditions d’élaboration aux propriétés électroniques et électrochimiques des matériaux.

• Méthanisation du CO₂ à l’aide du biochar dopé de nanomatériaux magnétiques (NiO, FeO

• Stockage de l’énergie dans les super condensateurs

Le projet SEVAD (Stockage de l’énergie à valeur ajoutée à partir d’agro-déchets)  mené conjointement par l’UCAD et le laboratoire ITODYS, explore le biochar comme matériau de stockage. Il vise à maîtriser la composition, la texture et la stabilité des matériaux pour surmonter les défis actuels. L’objectif est de développer des super condensateurs au biochar atteignant 400 F/g, 10–50 Wh/kg et 0,2–2 kW/kg.

Les biodéchets comme le son de mil, les résidus des dattiers du désert (« Soump »), les feuilles d’hibiscus, les écorces de fruits ou les algues marines seront convertis et valorisés en biochars pour concevoir des supercondensateurs verts.

Une approche combinée expérience/théorie sera mise à profit pour comprendre les phénomènes de charge-décharge galvano statiques et exploitées en « reverse engineering » pour générer des SCs plus performants.

Catalyse verte et photo catalyse assistées par la simulation (Mahamadou Seydou) : 

Développement de catalyseurs verts à base de graphène modifié (dopants, lacunes) et de nanocomposites photocatalytiques (NiO@g-C₃N₄).

Le premier projet de cet axe porte sur la combinaison de lacune et dopant dans le graphène pour la mise au point de catalyseurs vertes polyvalents. Le dopage du graphène à l’azote et au bore induit respectivement des sites nucléophiles et électrophiles. Cependant la réactivité des lacunes est peu exploré et leur combinaison avec les dopants encore moins.

Ce projet est de combiner des calculs DFT et Machine Learning pour générer les défauts et prédire leurs propriétés catalytiques. L’adsorption de la molécule de fullerène sur la surface de graphène (8´8) contenant une lacune et un dopant azoté montre le caractère  donneur (de l’azote) et accepteur de la lacune.

Le second axe concerne la photo dégradation de polluants organiques par les nanocomposites de nitrure carbone dopé à l’oxyde de nickel (NiO@gC4N5). Le nitrure de carbone est un semiconducteur qui présente plusieurs formes, sa forme g-C₃N₄  de gap de 2,7 eV dopé par le NiO  permet de dégrader les polluants organiques avec une efficacité comprise entre 60 et 90%. Cette efficacité est limitée par sa faible absorption dans le domaine du visible. La forme g-C₄N₅ possède un gap plus faible et son dopage à NiO promettrait une meilleure efficacité.   L’objectif sera donc de  développer une approche de modélisation multi-échelle pour prédire les propriétés photo-catalytiques de la forme gC3N5 peu exploré.

Développement de dispositifs énergétiques (Mahamadou Seydou et Marie Pierre Santoni)

 Développement de dispositif électronique à l’aide de jonctions moléculaires

Etude du transport électronique de la molécule au dispositif (cellules photovoltaïques à colorants, jonction moléculaire) par une approche combinée de calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et des fonctions de Green hors équilibre (NEGF).

Notre projet est de développer une approche multi échelle intégrant la dynamique moléculaire, les modèles de dérive-diffusion et les simulations numériques (SPICE, FEM) afin de comprendre et d’optimiser les interfaces et les performances des dispositifs.

Etude de l’interface entre le colorant et la couche semi-conductrice constituée d’un oxyde métallique.

L’équipe s’intéresse à l’élaboration de systèmes hybrides organiques-inorganiques multi-fonctionnels, notamment pour la conversion de l’énergie solaire (photovoltaïque, photochimique) et la catalyse. Elle développe une expertise sur la préparation et la caractérisation des molécules actives, puis de leur incorporation dans les matériaux voire les dispositifs (cellules photovoltaïques de type Grätzel et électrodes modifiées). Les calculs DFT apportent des informations pour l’analyse du mécanisme d’adsorption du colorant, les processus de transfert de charge, ainsi que l’alignement des niveaux d’énergie et la position du niveau de Fermi de l’oxyde.