Combustible solaire : caractérisation du mécanisme de transfert de charge dans des molécules photocatalytiques, vers la production de l'énergie par photosynthèse artificielle

Solar fuel : caracterisation of the charge transfert mechanism in photocatalytic molecules, to energy production by artificial photosynthesis

• Auteur / Autrice : Stéphanie Mendes Marinho
• Direction : Ally Aukauloo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Hynd Remita
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ally Aukauloo, Hynd Remita, Anna Proust, Fabrice Odobel, Oliver Wenger, Minh Huong Ha Thi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anna Proust, Fabrice Odobel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Photocatalyse

Piles à combustible à hydrogène

Transition énergétique

Mots clés libres

Photosynthèse artificielle

Photocatalyse

Transfert de charge

Combustible solaire

Énergie renouvelable

Artificial photosynthesis

Photocatalysis

Charge transfer and separation

Solar fuels

Renewable energy

Résumé

Développer de nouvelles sources d’énergie respectueuses de l’environnement est un des enjeux majeur de nos sociétés développées. Pour espérer la pérennité de notre espèce sur cette planète, il est indispensable de développer les sources d'énergie renouvelable ; permettant de nous affranchir de la dépendance aux énergies fossiles polluantes et dont les stocks s’épuisent. Il appartient aux scientifiques d’apporter leurs contributions à cet important défi que l’on appelle la transition énergétique et pour ça d’aider à développer une énergie idéale qui ne produirait pas de déchet polluant, serait très efficace et largement disponible. L'énergie solaire représente un excellent candidat car elle est de loin la plus abondante et prometteuse source d’énergie propre. D'importants efforts sont donc menés pour développer les technologies solaires, notamment la photosynthèse artificielle.La photosynthèse artificielle a vu le jour il y a une centaine d’années et fait l’objet de beaucoup d’intérêt et de recherche. Cette technologie cherche à imiter la photosynthèse naturelle réalisée par les plantes; et cela afin de stocker l’énergie provenant du Soleil dans des composés utilisables par l’Homme. La photosynthèse artificielle consiste en l’élaboration de systèmes synthétiques capables sous impulsion lumineuse de réaliser la décomposition de l’eau de manière catalytique, pour générer du dihydrogène ou des produits issus de la réduction du CO2, que l’on appelle combustibles solaires car à haut potentiel énergétique. En effet, la photosynthèse débute par la photo-catalyse de l’oxydation de l’eau, qui permet d’extirper les électrons et les protons des molécules d’eau. Ce sont ces électrons et protons qui seront utilisés par un catalyseur pour produire les combustibles solaires.Depuis peu, une véritable volonté de comprendre les mécanismes qui ont lieu lors de ces réactions catalysées semble apparaitre. Ces réactions mettent en jeu des transferts électroniques multiples photo-induits et cela rend leur étude assez compliquée. Grâce à des avancées technologiques importantes, nous avons étudié de manière plus approfondies plusieurs systèmes photo-catalytiques afin d’en tirer des savoirs permettant de rationaliser le design et d’améliorer les capacités des futurs systèmes développés. Ces avancées techniques ont été possibles grâce à des collaborations interdisciplinaires entre des chimistes et des physiciens et ont permis de développer un montage d’absorption transitoire « double-pump» afin de caractériser les espèces transitoires formées et de retracer les mécanismes lors de deux transferts électroniques photo-induits successifs.Dans la seconde partie de ce travail, de nouveaux catalyseurs ont été développé pour la réaction de photo-catalyse de l’oxydation de l’eau. La majorité des études menées jusqu’ici sur le sujet ont porté sur des systèmes moléculaires, mais le manque de robustesse et de réutilisabilité des catalyseurs homogènes a poussé la recherche vers le domaine des matériaux. Ainsi depuis une quarantaine d’années des systèmes photo-catalytiques hétérogènes ont été développé. Nous avons explorés deux types de matériaux, des nanoparticules catalyseurs dans des systèmes photo-catalytiques, et des polymères qui à eux seuls sont capables de réaliser l’ensemble des fonctions nécessaires à la photo-catalyse d’une réaction telle que l’oxydation de l’eau sous irradiation de lumière visible.Ainsi au cours de cette thèse nous avons tenté par deux approches d’avancer les connaissances et le développement de la photosynthèse artificielle. Une solution encore peu développée au problème énergétique auquel notre société fait face est le recours aux combustibles solaires, et il est grand temps que la recherche avance et que la transition énergétique s’impose plus efficacement et largement.

Developpment of environment-friendly sources of energy is one of the stakes major for our societies. To hope for the sustainability of Humans on Earth, it is essential to change our consumer habits on energetics by breaking our dependance on fossil fuels, which use leads to ecological desasters and which stocks are running out. The key of this important challenge is the growth of renewable energy sources, and this is called energy transition. The ideal energy would not produce any polluting waste, would be efficient and widely available. Solar energy is an excellent candidate because it is by far the most abundant and promising source of clean energy. Thus, important efforts are made to developp the solar technologies, including artificial photosynthesis.Artificial photosynthesis was created a century ago and is the focus of many interests and researchs. This technology aims at mimicking the natural photosynthesis realized by plants ; and that in order to store the energy coming from the Sun irriadiation in compounds that can be used at demand. Artificial photosynthesis consists in the elaboration of synthetic systems able under light impulsion to realize the water splitting/decomposition reactions in a catalytique way, generating hydrogène or CO2 reduction products, which are called solar fuels thanks to their high energetic potentials. Indeed, photosynthesis begins with the photo-catalysis of water oxidation, which extirpates the electrons and protons of water molecules. And it is these electrons and protons which will be used to produce the solar fuels.Recently, a real commitment to understand deaply the mechanisms that take place during these catalysed reactions seems to appear. These transformations involve multiple photo-induced electron transfers and it returns their study relatively complicated. Thanks to technological breakthroughs, we studied in a thorough way several photocatalytic systems to draw knowledges ; allowing the rationalisation of the design and then the efficiency improvement of future developped systems. These technical advances were possible thanks to interdisciplinary collaborations between chemists and physicists and led to the developpment of a set-up of « double-pump » transient absorption, that enables to characterize the transient species formed and to track down the pathways during two successive photoinduced electron transfers.In the second part of this work, new catalysts were developped for the photocatalysis of water oxidation reaction. The big majority of the studies led so far on this subject concerned molecular systems, but the lack of robustness and reusability of homogeneous catalysts pushed the research towards materials area. Since about forty years, heterogeneous systems were developped for photocatalysis of several reactions. We explored two types of materials, nanoparticules as catalyst in photocatalytic systems ; and polymers that are able on their own to realize all the functions required for the photocatalysis of a reaction such as water oxidation under visible light irradiation.Thus, during this PhD we tried by two approaches to increase the knowledges and the development of artificial photosynthesis. A solution that is still under-developped to fix the energetic issue our society is facing to, is the use of solar fuels ; and it’s imperative for the research to move forward and that energy transition prevails more effectively and widely.