Proposition de thèse (H/F)

Sujet de thèse :
Des batteries aqueuses basées sur des matériaux économiques, sûrs et respectueux de l'environnement peuvent jouer un rôle important sur le marché du stockage d'énergie stationnaire (plus de 32 milliards de dollars d'ici 2030). Une direction pour améliorer les performances de telles batteries est de développer de nouveaux électrolytes redox performants et plus stables. Ce projet de doctorat a pour objectif de faire un premier pas dans cette direction en effectuant des calculs moléculaires sur une base de données de molécules de nitroxyde qui seront utilisées pour définir des descripteurs moléculaires permettant de sélectionner les espèces actives redox les plus prometteuses pour des applications en batteries. Ces descripteurs seront ensuite utilisés par le doctorant pour effectuer une analyse systématique de dérivés de nitroxyde afin d'identifier les candidats les plus prometteurs à synthétiser. Un premier descripteur naturel est le potentiel redox qui peut être calculé à l'aide de méthodes de structure électronique, telles que la théorie de la fonctionnelle de la densité électronique. Cependant, en raison d'un temps de calcul trop important, la plupart des travaux essyant d'effectuer une étude systématique de molécules redox, telles que les quinones et les nitroxides, négligent le rôle du solvant. Étant donné que la stabilité de l'espèce active redox est un paramètre clé pour la conception pratique d'une batterie redox compétitive, nous pensons qu'il est essentiel de maintenir une description fidèle du solvant. Il est également obligatoire de maintenir le coût de calcul abordable, c'est pourquoi nous aurons recours à la théorie de la fonctionnelle de la densité moléculaire (MDFT). Cette méthode permet de calculer l'énergie libre de solvatation et la structure de solvatation dans l'eau ou dans un solvant organique en quelques minutes sur un ordinateur portable standard.
Les descripteurs considérés sont l'énergie libre de solvatation, le nombre de coordination qui peut être utilisé pour évaluer le nombre de liaisons hydrogène, les potentiels redox et le coefficient de partition entre l'eau et un solvant organique. Nous calculerons également les énergies libres de réorganisation des espèces actives selon une procédure que nous avons récemment publiée [1]. Les énergies libres de réorganisation peuvent être liées aux constantes de vitesse par la théorie du complexe activé. Le calcul des potentiels redox nécessite le calcul des énergies de l'état fondamental des deux états d'oxydation en présence du solvant, ce qui peut être fait à l'aide de la méthode MDFT récemment publiée, combinant la mécanique quantique hybride et la théorie de la fonctionnelle de la densité moléculaire [2]. Étant donné qu'il nécessite plusieurs calculs quantiques, l'approche QM/MDFT est plus exigeante en termes de puissance de calcul, mais elle reste plusieurs ordres de grandeur plus rapide qu'une description qua
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