Doctorat - Mesurer les Profils Verticaux Atmosphériques d'H2 à Partir de Matériaux Micro-Structurés H/F - 45

Depuis 150 ans, les niveaux d'hydrogène (H2) dans l'atmosphère ont augmenté de 70%, passant de 330 ppbv à 550 ppbv (Patterson et al. 2020), en raison principalement de l'activité humaine et des fuites liées à l'extraction des combustibles fossiles. La mise en place d'une économie de l'hydrogène à l'échelle mondiale pourrait donc accélérer cette tendance. Les feux de forêt constituent également une importante source d'émissions d'hydrogène, contribuant à hauteur de 20% aux émissions globales, au même niveau que les émissions anthropiques. Ainsi la multiplication des méga-feux va accroître les injections d'hydrogène à haute altitude. Ces émissions auront pour effet de refroidir la stratosphère, en augmentant la concentration de vapeur d'eau et en ralentissant la reconstitution de la couche d'ozone (Ocko et al., 2022).
L'observation d'évènements extrêmes comme les méga-feux nécessite une très grande réactivité dans l'organisation des campagnes de mesures. De plus, les ballons sont les seuls vecteurs permettant d'obtenir des observations dans ces panaches entre 10 et 30 kilomètres. Le développement d'instruments légers sous petit ballon est à l'heure actuelle la seule solution technique pouvant répondre à ce défi scientifique. Les ballons sont également la seule solution pour évaluer l'impact de la nouvelle transition énergétique hydrogène sur la chimie stratosphérique. La mesure de l'hydrogène ne peut pas être réalisée à bord de satellites actuellement. Seules des mesures in situ ou via des systèmes d'échantillonnage peuvent fournir des concentrations d'hydrogène dans la stratosphère.
Le LPC2E, dans le cadre du projet CNES ARCHE, en collaboration avec les laboratoires ICARE et CEMHTI (Orléans), développe actuellement un instrument capable de mesurer en temps réel H2 sous ballon stratosphérique. Cet instrument utilisera des matériaux poreux innovants de type MOF (Metal Organic Framework) possédant des propriétés électriques sensibles à la présence de H2 (Karuppasamy et al., 2023). Ces matériaux permettent d'analyser une concentration en H2 de 100 ppbv, c'est-à-dire 5 fois inférieure aux valeurs attendues dans la stratosphère. La thèse débutera donc avec un fort héritage instrumental. L'instrument sera construit et testé au LPC2E via des vols ballons organisés sur le site d'Orléans. De tels vols sont déjà réalisés en routine dans le cadre de la validation du satellite européen EarthCare (ESA).
Les MOF peuvent être utilisés pour quantifier d'autres gaz dans l'atmosphère. Des capteurs de CO contenant des MOF ont déjà été testés avec un seuil de détection autour de la ppm (Montoro et al., 2024, Xie et al., 2024). Malheureusement ces études ont été réalisées à haute température (350°C) et la sélectivité des mesures est à réévaluer en condition atmosphérique. De même, le seuil de détection de ces capteurs est encore trop élevé d'un ordre de grandeur pour pouvoir être utilisé en condition stratosphérique.
L'enjeu de cette thèse est donc de développer un nouvel instrument sous ballon léger stratosphérique, pouvant mesurer l'hydrogène à l'état de trace, à l'aide de nouveaux matériaux dans des conditions de pression et de température extrêmes pour ce type de capteur. Pour relever ce défi scientifique, la collaboration avec les équipes techniques du CEMHTI est essentielle dans ce projet. Un effort particulier sera porté sur l'optimisation des paramètres pouvant influer l'efficacité des MOF, comme la composition, la morphologie des particules, la porosité du matériau ou l'ajout de dopant en vue de baisser considérablement la sensibilité de ces matériaux.
A plus long terme, les mesures pourront être planifiées dans la zone de convergence intertropicale, où les plus grandes injections d'hydrogène dans la stratosphère sont attendues et où des feux de forêt intenses sont régulièrement présents. Une des perspectives est de participer aux futures campagnes ballons CNES-AEB à partir de la base franco-brésilienne (Las Palmas, Tocantins) qui sera mise à la disposition de la communauté scientifique fin 2026. Les nouveaux capteurs à base de MOF pourront également participer à la validation des produits des futures missions spatiales européennes Sentinel4 et 5, IASI-NG, FORUM et MERLIN en explorant de nouvelles voies comme la mesure des organiques volatils (François et al., 2022).
Références
François M., Sigot L., Vallières C., Impact of humidity on HKUST-1 performance for the removal of acetaldehyde in air: an experimental study. Adsorption 28, 275-291, 2022.
Karuppasamy K. et al., Room-temperature response of MOF-derived Pd@PdO core shell/-Fe2O3 microcubes decorated graphitic carbon based ultrasensitive and highly selective H2 gas sensor, Journal of Colloid and Interface Science 652, 2023.
Montoro C. et al., MOF-derived metal oxide (Cu, Ni, Zn) gas sensors with excellent selectivity towards H2S, CO and H2 gases, Composites Part B 283, 2024.
Ocko I. and P. Hamburg, Climate consequences of hydrogen emissions, Atmospheric Chemistry and Physics 22(14):9349-9368, 2022.
Patterson J. D. et al., Atmospheric History of H2 Over the Past Century Reconstructed From South Pole FirnAir, Geophysical Research Letter, 2020.
Xie R., Lu J., Liu Y., Carbon monoxide gas sensing properties of SnO2 modified metal-organic skeleton derived NiO. Sensors and Actuators A: Physical, 2024.
Contexte de travail
Le doctorant sera accueilli au sein du groupe « Environnement atmosphérique » de l'équipe SAMPLE du LPC2E basé sur le Campus CNRS d'Orléans. Les activités de ce groupe concernent de nombreux domaines dont l'étude de la chimie et des aérosols stratosphériques. Ces études ont nécessité le développement d'instruments innovants utilisables sous ballon et/ou avion et déployables au sol. Ces instruments sont actuellement utilisés dans le cadre de l'étude d'une part, des panaches volcaniques et de feux, et d'autre part, des émissions biogéniques des forêts et zones humides. Le doctorant travaillera en collaboration avec les équipes techniques des 3 laboratoires LPC2E, CEMHTI et ICARE. La thèse sera co-dirigée par Gwenaël BERTHET (LPC2E, CR HDR CNRS) et Lavinia BALAN (CEMHTI, DR CNRS). Fabrice JEGOU (LPC2E, Chercheur CDI CNRS) sera l'encadrant principal de la thèse. Le travail doctoral sera réalisé dans le cadre de plusieurs projets connexes dont les projets CNES ARCHE et IIT CNRS MIMAG.