Soutenance de thèse de Yassine ELAADSSI - Lundi 8 décembre à 13h30

 L’école Doctorale 548 "Mer et Sciences" 

 

rattachée à l’université de Toulon (France)

 

a le plaisir de vous informer que

 

Monsieur Yassine ELAADSSI

 

Doctorant au laboratoire IM2NP

 

soutiendra sa thèse en vue de l’obtention du Grade de Docteur

 

sous la direction de

 

M. Madjid ARAB,  Maître de conférences-HDR, Université de Toulon (France)

 

Co-encadré par

 

Mme Véronique MADIGOU, Maîtresse de conférences, Université de Toulon (France)

 

 

Discipline : Chimie

 

Spécialité : Chimie des matériaux

 

 

sur le thème

 

Nanomatériaux à base de ferrites de cobalt pour la dépollution des eaux et la production d’énergie :

Optimisation statistique et par apprentissage profond de la photo-électro-dégradation et étude des performances en water splitting

 

Lundi 08 décembre 2025 à 13h30 

 

A l’Université de Toulon - Campus La Garde - Bâtiment Y1- Amphi Y1.008

 

Devant un jury composé de

  

M. Ally AUKAULOO, Professeur des Universités, ICMMO-Université Paris-Saclay, Rapporteur

 

Mme Valérie KELLER, Directrice de Recherche-CNRS, ICPEES-Université de Strasbourg, Rapportrice

 

Mme Sophie CASSAIGNON, Professeure des Universités,  LCMCP, Collège de France - Sorbonne Université, Examinatrice

 

M. Damien VOIRY, Directeur de recherche -CNRS, Institut Européen des Membranes Université de Montpellier, Examinateur

 

Mme Véronique MADIGOU, Maitresse de Conférences, IM2NP - Université de Toulon, Co-encadrante

 

M. Madjid ARAB, Maitre de Conférences - HDR, IM2NP - Université de Toulon, Directeur de thèse

 

Résumé :

 

Cette thèse explore la synthèse, la caractérisation et les performances catalytiques de nanomatériaux à base de ferrites de cobalt pour la dépollution de l'eau (photocatalyse PC et photoélectrocatalyse PEC de la Rhodamine B) et la production d'énergie (électrolyse de l'eau : OER et HER). Deux séries, Co_xFe_3-xO₄ (x=1; 1,5) et Ni_yCo_1.5-yFe_1.5O₄ (y=0; 0,2; 0,4), ont été synthétisées par voie hydrothermale. L'objectif était d'étudier l'impact de la composition (rapport Co/Fe, substitution par Ni) sur les propriétés physico-chimiques et l'activité catalytique des matériaux. La diffraction des rayons X et la microscopie électronique en transmission ont confirmé la formation de nanoparticules de phase spinelle pure. Différentes techniques de caractérisation (DRS, BET, FL/TRFL, électrochimiques) ont permis de suivre l’évolution des propriétés des différents matériaux. L'augmentation du taux de cobalt (Co_1.5Fe_1.5O₄) a réduit la bande interdite (E_g), amélioré la séparation des charges photogénérées (durée de vie augmentée) et le transfert interfacial (R_ct diminuée). La substitution par le nickel (surtout Ni_0.4Co_1.1Fe_1.5O₄) a conduit à une surface spécifique plus élevée (SBET, ECSA), amélioré la séparation et le transfert de charge (PL éteinte, R_ct très faible, J_ph élevé) et décalé les potentiels de bande (V_fb plus négatif), malgré une légère augmentation de E_g. Pour la dépollution, la PEC s'est avérée plus efficace que la PC due à une effet synergétique la photo et de l’électro activation. Par ailleurs, la substitution par le Ni a fortement accéléré la cinétique de la réaction : Ni_0.4Co_1.1Fe_1.5O₄ étant le matériau le plus performant. Les mécanismes de dégradation impliquent h⁺ et •OH comme espèces réactives pour Co_xFe_3-xO₄, mais aussi O₂•⁻ pour les Ni-substitués (activés par le déplacement de la bande de conduction). L'optimisation par RSM et la modélisation par ANN (surtout l'hybride RSM-ANN) ont permis de définir les conditions de tests pour atteindre une minéralisation quasi complète (>95% TOC). Les taux de dégradation sont conservés aux delà de 4 cycles, ce qui prouve la stabilité des matériaux. Pour le water splitting (OER en milieu alcalin, HER en milieu acide), la ferrite enrichie en cobalt a montré de meilleures performances (η₁₀ plus faible, cinétique améliorée) et la substitution par Ni a amélioré l'activité globale : Ni_0.4Co_1.1Fe_1.5O₄ présentant les meilleurs surpotentiels (η₁₀ (OER)=240 mV, η (HER)=-210 mV), principalement grâce à une ECSA massivement augmentée, alors que l'activité intrinsèque par site (TOF) est réduite. Les mesures de densité de courant en fonction du temps montrent que la stabilité lors de l’électrolyse est correcte. En conclusion, l'ingénierie compositionnelle (ajustement Co/Fe, substitution par Ni) des nanoparticules de ferrites de cobalt est une stratégie efficace pour optimiser leurs propriétés catalytiques. Co_1.5Fe_1.5O₄ et surtout Ni_0.4Co_1.1Fe_1.5O₄ se révèlent être des catalyseurs prometteurs pour la dépollution et la production d'hydrogène, d’autant qu’ils sont stables et produits à partir d’éléments abondants et peu onéreux.

  

Mots-clés :  Ferrites de cobalt, Méthodologie des surfaces de réponse (RSM), Réseaux de neurones artificiels (ANN), Photo-électrocatalyse (PEC)

 

 

 

Cobalt ferrite-based nanomaterials for water decontamination and energy production:

Statistical and deep learning optimization of photo-electro-degradation and water splitting performance study.

 

 

Abstact:

 

This thesis explores the synthesis, characterization, and catalytic performance of cobalt ferrite-based nanomaterials for water pollution control (PC photocatalysis and PEC photoelectrocatalysis of Rhodamine B) and energy production (water electrolysis: OER and HER). Two series, Co_xFe_3-xO₄ (x=1; 1.5) and Ni_yCo_1.5-yFe_1.5O₄ (y=0; 0.2; 0.4), were synthesized hydrothermally. The objective was to study the impact of composition (Co/Fe ratio, Ni substitution) on the physicochemical properties and catalytic activity of the materials. X-ray diffraction and transmission electron microscopy confirmed the formation of pure spinel-phase nanoparticles. Various characterization techniques (DRS, BET, FL/TRFL, electrochemical) were used to monitor the evolution of the properties of the different materials. Increasing the cobalt content (Co_1.5Fe_1.5O₄) reduced the band gap (E_g), improved the separation of photogenerated charges (increased lifetime), and enhanced interfacial transfer (decreased R_ct). Substitution with nickel (especially Ni_0.4Co_1.1Fe_1.5O₄) led to a higher specific surface area (SBET, ECSA), improved separation and charge transfer (PL extinguished, very low R_ct, high J_ph), and shifted the band potentials (more negative V_fb), despite a slight increase in E_g. For remediation, PEC proved more effective than PC due to a synergistic effect of photo- and electro-activation. Furthermore, substitution with Ni significantly accelerated the reaction kinetics: Ni_0.4Co_1.1Fe_1.5O₄ was the most efficient material. The degradation mechanisms involve h⁺ and •OH as reactive species for Co_xFe_3-xO₄, but also O₂•⁻ for the substituted Ni (activated by conduction band shift). Optimization using RSM and modeling with ANN (especially the RSM-ANN hybrid) allowed us to define the test conditions to achieve near-complete mineralization (>95% TOC). Degradation rates are maintained beyond four cycles, demonstrating the stability of the materials. For water splitting (OER in alkaline media, HER in acidic media), cobalt-enriched ferrite showed better performance (lower η₁₀, improved kinetics), and substitution with Ni improved overall activity: Ni_0.4Co_1.1Fe_1.5O₄ exhibited the best overpotentials (η₁₀ (OER) = 240 mV, η (HER) = -210 mV), mainly due to a significantly increased ECSA, while the intrinsic activity per site (TOF) was reduced. Current density measurements over time show that the electrolysis stability is satisfactory. In conclusion, compositional engineering (Co/Fe ratio adjustment, Ni substitution) of cobalt ferrite nanoparticles is an effective strategy to optimize their catalytic properties. Co_1.5Fe_1.5O₄and especially Ni_0.4Co_1.1Fe_1.5O₄ emerge as promising catalysts for pollution control and hydrogen production, particularly since they are stable and produced from abundant and inexpensive elements.

 

Keywords: Cobalt ferrites, Response Surface Methodology (RSM), Artificial Neural Networks (ANN), Photoelectrocatalysis (PEC).

--